飞秒激光器实现高质量微细加工

在工业、科学和医学的许多领域，激光器都是不可或缺的加工工具。如今，基于超快激光技术的微细加工是有效利用各种激光光源的一个十分普遍的例子，它带来了前所未有的微细加工品质。

与常规机械和激光技术相比，飞秒激光工艺在汽车、医疗仪器和电子工业等行业的优势包括（但不限于）高速、高精密、高质量和高可重复性，在许多情况下，可实现简化的工艺步骤，甚至无需后处理操作。当前 ，这一领域的激光技术正在大力发展，将会应运而生大量令人期待的微加工技术。

在激光辅助制造中，每一种加工材料都是一个特例，总是需要进行一些针对性研究。各种激光参数，如脉冲长度、波长、重复率和能量，有可能决定加工的速度和质量。因此，找到最佳的激光参数组合，选择最具成本效益的技术是非常重要的。就这点而言，一款具备高度可调的脉冲长度、能量和重复率的工业激光器，将成为整个系统的一个重要组成部分。

飞秒激光烧蚀

无论是以这样或那样的方式，所期望的材料整体或某一表面上的机械改性都是相关物理现象产生的结果，是在光能沉积到材料之后发生的。简单地说，这些工艺过程可以分为“热”和“冷”微加工。

在热微加工中，光脉冲和材料相互作用区的固相材料因局部加热而转变为气相，导致材料发生汽化和喷射。局部加热是由于受激自由电子与材料晶格的电子-声子相互作用而实现的。

在热烧蚀（即材料去除）工艺中，激光脉冲长度和材料去除率可与材料热扩散的时间尺度相当。其结果是，热量被转移到烧蚀区之外，并可能导致附带热损伤，通常称其为热影响区 (HAZ)。此外，热烧蚀阈值在很大程度上取决于烧蚀区中的材料缺陷和杂质数量，导致微加工精度和重现性不佳。总体上，热影响区和烧蚀可变性共同阻碍了某些应用的成功。

图1：50μm 厚铟箔切割速率与激光脉冲宽度的关系（a）和使用1030mm 飞秒 PHAROS 激光器的重复率（b）。

由于热影响区和材料杂质的不利影响，理论上完全不存在飞秒激光脉冲通过非线性吸收过程实现冷烧蚀的工作条件。由于飞秒脉冲的峰值能量远高于皮秒或纳秒脉冲，价带中的电子在很大程度上被激发，导致了局部物质的电离。离子之间形成了巨大的静电力，材料在局部炸裂或形成裂纹时发生不可逆转的变化。由于这一过程比热化时间快，局部热诱导（如果存在）实际上随着材料去除而被剥离。

图2： 采用10ps（a）和260fs（b）激光脉冲进行铟箔切割。

飞秒激光器也可以提供更快的微细加工。例如，图1显示的是铁镍合金实测切割速度与激光脉冲长度和能量的关系（铟箔；图1）。当使用较短的脉冲时，切割速率上升，当使用飞秒脉冲代替皮秒脉冲时，切割速率增加至少50%。除了切割速度更快外，飞秒激光切割的切口边缘质量也要好得多（图2）。

用飞秒高峰值功率脉冲进行加工，在材料表面甚至在周围环境中几乎都不会导致非线性效应的等离子体的形成。这种效应是有可能会损害材料加工质量的，但通常总能够通过多功能激光光源来减轻这些影响，从而对其输出辐射特性进行良好的调谐，如脉冲持续时间和重复率。

额外的激光加工应用

切割。对于热敏性或脆性材料的切割而言，必须将热影响区减至最小。因此，飞秒激光加工常常成为高质量切割的关键技术。

飞秒激光加工让用户在金属、陶瓷、玻璃、聚合物和有机组织等大多数材料上获得无毛刺的光滑切口，同时保持表面无碎片，因此只需少量的后处理甚至无需后处理。这些特性在许多应用中非常重要，例如对用精细材料制成的医用植入体进行微加工。

在对心脏瓣膜框架柱支架的微加工中就需切割几微米宽的切口和支杆。在镍钛基医用微植入体实例中，飞秒脉冲相对于皮秒脉冲的优越性得到明显的证明，其结果是能获得更高的精度、整体过程稳健性和良好的成品率。此外，除了切割，同样的飞秒激光源也可用于材料表面的微加工，在应用于制造不同几何形状的医用微结构时展现出巨大的前景。

蚀刻。飞秒激光脉冲可用于大多数透明材料中的结构和光学改造，以及随后的化学蚀刻工艺。这种飞秒激光辐照和化学蚀刻方法被用于熔融石英衬底上，用于创建微流体应用（芯片实验室、微全分析系统等）和微芯片三维堆叠。

由于飞秒脉冲能在高加工速率下实现精准的改良而不会造成附带损害，因此第二部分即化学蚀刻相对来说是一个非常缓慢的过程，可能需要数小时才能完成。然而，新的混合化学蚀刻技术采用不同的化学试剂组合，因而在这一领域展现出巨大前景。更重要的是，化学蚀刻步骤可以轻松地同步进行，因为在同一个容器中可同时对多个样品进行蚀刻。

钻孔。许多工业应用中都需要在材料中钻出高质量且具有可控几何形状的孔，例如燃料或油墨喷嘴。为实现高加工速度和高质量，有诸多原因都要求高脉冲能量密度。首先，从小孔深处喷射出来的粒子需要有高动能才能从钻孔中逸出。其次，当孔变深时，来自圆锥形激光成型孔的有效能量密度趋于减小。

在飞秒激光钻孔中，孔的成形通常是在另一个阶段进行的，与高能穿孔工艺分开。这种激光后处理允许进行额外的调整，因为有些应用需要圆柱形孔，而另一些应用则可能需要锥形孔。

为进一步提高加工质量，还开发出了螺旋钻孔等新的加工技术。一般来说，飞秒激光加工对于上述射流部件或其它定量装置的生产具有极佳的前景。

图3：在氧化铝（a）、蓝宝石（b）和硅（c）中进行飞秒微加工的实例。（图源：考纳斯工业大学材料科学研究所，立陶宛考纳斯）

表面构建。飞秒激光脉冲有利于先进材料表面的构建（图3）。利用飞秒脉冲进行沟槽、尖峰和凹坑等表面纳米结构的微加工，既精确又稳健，还适用于较大面积的加工。例如，这样的纳米结构能改变表面润湿特性，并在等离子体光子学、纳米光子学、纳米电子学、太阳能电池制造等领域找到新的应用。

在UV中的应用

当必须采用对热效应极为敏感的材料制造微米级零部件时，可使用紫外（UV）飞秒脉冲。这类应用包括不同类型的压电陶瓷和用于红外检测的先进晶体材料等。在这些情况下，已获得应用的包括第三和第四谐波的掺镱飞秒激光器（脉冲分别为343nm和257nm）。

尽管UV飞秒脉冲对于各种科学和工业应用极具吸引力，然而在对UV飞秒脉冲所需的光学器件进行适当设计方面仍然不乏挑战。不过，目前市场上已有工业级UV飞秒激光器供应，并能提供数千小时的可靠运行。

UV飞秒脉冲的另一项实际应用，是激光烧蚀感应耦合等离子体质谱法。紫外飞秒激光脉冲对于确保为大多数固相材料吸收来说是最理想的。

在激光辅助质谱测量技术中，该过程包括两个阶段，即烧蚀和检测。当样品中的粒子由于与材料中的高能光相互作用而被局部电离后，它们被传递到质谱仪中进行识别。通过这种方式，对复杂样品进行微米级分辨率的空间分辨分析是可能的，如熔融包裹体、沙尘气溶胶、矿物、超薄膜带，以及生物样品。

除了上述优点外，飞秒激光脉冲还能减少可能会对分析质量产生不利影响的基体效应和元素分馏。

当前，飞秒激光辅助质谱系统已实现商业化，而该技术本身仍具有相当大的潜力，可常规用于针对各种不同材料的有关元素及同位素组成的原位分析。

展望

有关飞秒激光在高质量材料加工中的应用，目前正处于一个不断挖掘的过程。每天都有许多新的应用应运而生。而高效率、消除热影响区以及适用于多种不同材料的能力，则是该技术领域的关键驱动因素。

从激光光源方面看，飞秒激光技术则推动了额外的参数灵活性需求，使用户通过对光与物质相互作用进行微调来获得最高的效率和质量。