飞秒激光加工金属材料

作为20世纪最重大的科技成就之一，激光技术为各行业发展作出了卓越贡献。其应用领域持续扩展，已全面覆盖农业、工业、国防及科研等关键领域，逐步成为不可或缺的核心技术。近年来，超快激光微纳制造已成为加工技术发展的前沿领域之一。值得注意的是，脉冲宽度的显著压缩与峰值功率的大幅提升，使飞秒激光在微加工与制造领域更具优势。

此外，飞秒激光与材料的相互作用展现出极高的分辨率和精度，完美契合纳米级加工需求。而飞秒激光微加工过程中产生的内部热效应与扩散范围均不明显，这种特性可视为“冷加工”工艺。飞秒激光凭借其极短的时间尺度（10-15秒）与超高能量密度（>1014瓦/平方厘米），可实现纳米级（10-9米）的精确聚焦加工。在极端工况下，该技术几乎能高质量精密加工任何材料。

随着激光技术的全面应用，微纳器件、生物技术、医疗诊断系统及三维复杂结构加工等领域均取得重大突破。因此，调控激光-电子相互作用及电子动力学对推动飞秒激光领域发展至关重要，同时也为制造过程中的电子行为测控带来全新挑战。这要求理论体系与观测系统的研发，必须与激光加工方法和应用进展保持同步。

 

飞秒激光金属材料加工理论

◆ 激光加工特性
材料与飞秒激光的相互作用，属于超快非线性非平衡过程。从时间尺度来看，当采用大于飞秒量级的脉冲宽度（即长脉冲激光）加工时，由于激光脉冲持续时间超过热扩散时间，热能在材料内部及周边持续扩散，导致加工区材料重熔、热影响区扩大，最终使加工质量恶化（图1左）。

 

图1：长脉冲激光（左）/飞秒激光（右）与材料相互作用过程示意图

这种热扩散现象会引发：加工区热损耗将降低能量效率与加工利用率；大量热扩散会导致加工区温度难以达到材料熔点；在连续脉冲能量作用下，材料经历固态-液态的反复相变，形成类似火山口的熔渣堆积，从而降低加工质量；热扩散现象会扩大加工区域，致使微细精密加工难以实现；热胀冷缩效应与扩散引发的机械应力，将使热影响区周边材料不可避免地出现裂纹与熔融。

在飞秒激光加工过程中，超短脉冲宽度与超高峰值功率的共同作用，使材料发生高度电离并以等离子体形态从加工区喷射移除。同时，烧蚀产生的热量可被高效耗散，从而规避热扩散相关问题（图1右）。飞秒激光加工的显著优势如下：

 

图2：超短脉冲激光与电子晶格的相互作用

热效应微弱：飞秒激光与金属表面相互作用时，由于电子比热容低，可在飞秒时间尺度内实现电子快速加热，导致表层材料瞬时电离并从内部喷射而出，同时带走热能实现降温。该全过程耗时远小于晶格热传导时间，故材料不会产生热效应与裂纹。

适用性广：飞秒级脉冲持续时间与超高功率密度，使非线性吸收效应主导烧蚀过程，可在金刚石、硅、陶瓷等材料上实现优异的微纳加工效果。

亚微米加工精度：作为高斯光束，飞秒激光能量呈中心高边缘低的典型分布。只有当能量密度超过阈值且加工精度突破衍射极限时才会发生烧蚀，从而将加工精度延伸至亚微米级别。

精确烧蚀阈值：仅当激光能量累积至特定程度才会引发烧蚀。固定脉冲宽度后，材料仅在激光能量密度超过阈值时被去除。超短脉冲加工中非线性吸收起主导作用，其烧蚀阈值偏差可忽略不计，因此能获得清晰锐利的加工形貌。

2.2飞秒激光金属材料加工理论
金属材料中存在大量自由电子。当金属与低能量短脉冲激光相互作用时，由于电子的逆吸收效应与低比热特性，自由电子将首先吸收光子能量，随后通过电子-晶格耦合进行热传递，最终在皮秒时间尺度达到热平衡。宏观连续傅里叶热传导模型假定电子与晶格始终处于平衡状态，但根据上述分析可知，该模型并不适用于描述超短脉冲激光与材料的相互作用过程。

图3：（a-c）飞秒激光不同单脉冲能量下的凹坑形貌与（d-f）熔融前沿轮廓分布：（a,d）20μJ；（b,e）120μJ；（c,f）720μJ

在飞秒激光与材料的相互作用过程中，电子的热容远小于晶格热容。电子首先吸收光子能量并急速升温，随后通过耦合效应将能量传递给晶格使其升温。电子-声子散射过程相对缓慢（通常为数十至数百皮秒），晶格在皮秒时间尺度吸收能量导致温度上升。一旦晶格温度达到金属相变爆发温度，就会发生烧蚀损伤，通过喷发效应去除材料。整个循环中热扩散时间极短（通常可忽略），因此飞秒激光加工通常不会产生热效应与裂纹。

 

飞秒激光金属加工技术新进展

激光微加工的本质是通过激光向物体传递能量，使材料发生熔化、汽化等物理或化学变化从而实现加工。现有激光技术主要包括紫外激光、纳秒激光、皮秒激光及飞秒激光等。飞秒激光加工是指超短脉冲的聚焦光束与材料相互作用，通过极强功率对目标材料进行修复、调整或去除的过程。该技术在加工精度和选择性方面展现出显著优势，不仅拓展了金属激光加工的应用领域，更为激光技术的发展做出了重要贡献。

◆ 飞秒激光金属材料钻孔技术
对于钼（Mo）、钽（Ta）、铼（Re）、钨（W）及镍（Ni）等难熔金属而言，其熔点高达2610~3410°C，传统长脉冲激光难以实现精密加工。而飞秒激光基于多光子吸收与电离机制，可规避热传导效应的影响，因而逐渐成为此类金属高精度加工的首选方案。

此前，有研究人员通过三维仿真研究了飞秒激光对镍基/铁基高温合金表面的辐照效应。研究发现：当单脉冲能量从20 μJ增至120 μJ乃至720 μJ时，熔池深度与熔化前沿直径仅发生微小变化——这一现象与传统认知中加工效率主要取决于脉冲能量的观点相悖。图3a-c展示了热力学平衡状态下不同单脉冲能量形成的烧蚀形貌，以及相应的重铸层/基体界面轮廓分布。

还有研究人员通过实验（中心波长800nm，脉冲持续时间30fs，重复频率110 Hz）测定了钛合金（Ti-6Al-4V）和铝合金（Al7075）的单脉冲激光烧蚀阈值与烧蚀速率。实验结果表明：钛合金的烧蚀阈值为0.29J/cm²，而铝合金则为0.61J/cm²。研究进一步提出，这种孵化效应源于激光诱导热应力场导致的塑性变形累积。

 

图 4：500 kHz 重复频率飞秒激光钻孔热效应分析，(a) 孔表面实际形貌，(b) 孔表面三维模拟形貌

在其他研究中，研究人员还研究了304不锈钢（SS304）飞秒激光加工通孔侧壁的形貌与粗糙度特征。如图4a所示，当脉冲重复频率为500 kHz时，通孔入口附近出现显著热效应区，包括热影响区和氧化区。此外，孔口周边存在的飞溅物也被证实由热效应导致。在更高脉冲重复频率下，高频飞秒激光脉冲的持续作用引发材料内部热量累积，进而产生传导加热与热效应。图4b呈现了孔壁表面的三维模拟形貌。值得注意的是，通过能谱分析可精确测定通孔入口附近氧化区特定点的材料组分。

 

图5：不同第二阶段能量下的孔锥度及对应截面形貌

有研究人员通过分子动力学方法，分析了飞秒激光辐照镍材料的团簇演化过程，并提出了一种双级脉冲能量（TSPE）冲击钻孔工艺。该工艺在脉冲序列中设置第二级能量高于初始级能量。如图5所示，研究对比了不同第二级能量下的孔锥度及相应截面形貌。实验数据明确显示：当第二级脉冲能量达到最大值时，可获得最小孔锥度；而初始能量（40μJ）与第二级脉冲能量（50μJ）的组合，被证实为双级脉冲能量冲击钻孔的最优参数方案。

 

图6：不同激光能量密度下（孔径200µm、脉冲重复频率0.44J/cm²）的SEM图像

图7：不同脉冲次数作用下的孔表面形貌：(a)1×106次脉冲；(b)2×106次脉冲；(c)4×106次脉冲

 

图8：脉冲能量19.5 µJ、作用100次条件下Ti-6Al-4V合金烧蚀表面的三维形貌与二维轮廓

图9：加工区域的SEM图像：(a)100μm/s；(b) 200μm/s；(c) 300μm/s；(d) 200μm/s；(e) 500 μm/s

关于固态激光钻孔技术中激光参数，对钛合金孔隙形态影响的研究目前较为有限。Deepu P.等人报道了飞秒激光在Ti6Al4V上获得的微孔特征：当能量密度为0.44J/cm²、重复频率约10kHz、脉冲重叠率约85%时（如图6所示），在不考虑孔径大小和激光能量密度的前提下，可获得更优的孔洞形貌。值得注意的是，当脉冲重叠率更高时，微裂纹、热影响区和重铸层现象会更为显著，这是由于钛合金较低的热导率导致热量积聚加剧所致。

Zhang等人对难熔金属钨进行了多脉冲飞秒激光微孔加工实验，对比研究了不同参数条件下钨的微孔加工质量与成孔机制。经飞秒激光钻孔处理后，孔洞的轮廓形貌是衡量其加工质量的重要指标。当脉冲次数分别为1×106、2×106和4×106时，孔口呈规则圆形且孔壁光滑，未出现明显热影响区，其表面形貌如图7所示。通过图7c可清晰观察到，样品表面仅附着少量高质量颗粒。此外，在飞秒激光烧蚀钨的过程中，显著的热量积聚并未导致晶粒生长现象。

总体而言，相比长脉冲激光，超短脉冲激光微加工在多种特殊加工场景中更具优势，这得益于其能够实现高精度加工且适用材料范围广泛。因此，在难切削材料、超硬材料及复杂几何形状材料加工中，超短脉冲激光有效克服了长脉冲激光的固有缺陷。

◆ 飞秒激光的金属烧蚀阈值
与传统加工工具不同，激光作为一种新型加工手段，并非依靠锋利刀刃切削破坏材料，而是通过复杂的物理化学过程实现加工。脉冲激光具有作用时间短、加工精度高、适用材料广等特点，已广泛应用于微加工、医疗及航空航天等领域。飞秒激光凭借成本低、加工效率高、微米级加工精度及易于维护等优势，在工业生产中展现出广阔的应用前景。随着激光技术的持续发展，脉冲激光与材料表面的相互作用机制已成为当前研究热点。

烧蚀阈值是指激光去除材料所需的最小能量密度，其核心条件是激光能量密度必须高于该阈值。这一阈值是与激光参数及材料特性相关的固有参数，通常通过实验测定。Maharjan等学者提出，可通过激光诱导凹坑的直径或深度来确定烧蚀阈值，其中基于深度测定的阈值比直径测定法更具可靠性。研究团队在脉宽130fs、脉冲数100次的条件下，对Ti-6Al-4V合金测得烧蚀阈值约为0.142±0.010 J/cm2（如图8所示）。

Liang等人建立了一种新型烧蚀通道宽度预测模型，并计算了飞秒激光加工材料的烧蚀阈值。为验证模型准确性，研究人员采用50MHz飞秒激光以不同扫描速度对SUS 301不锈钢板进行加工（实验结果如图9所示）。通过将模型计算阈值与传统方法测定阈值进行对比，发现两者误差可忽略不计。

Xu等人研究了304不锈钢在空气和真空环境中烧蚀速率随激光脉冲能量密度变化的规律。研究提出，两种烧蚀机制分别由光学穿透深度（α-1）和电子热扩散长度（L）主导。在低能量密度区间，单脉冲烧蚀阈值Fth(1)为≈0.077±0.008J/cm²；而在第二能量密度区间，该阈值为0.46±0.05J/cm²（35fs，空气环境）。研究进一步发现，在低激光能量条件下（<0.92J/cm²），不同脉冲宽度和环境对烧蚀速率无显著影响；但在高能量密度范围（>0.92J/cm²），真空环境中35fs激光脉冲的烧蚀速率明显高于其他条件（如图10所示）。

 

图10：空气与真空环境下烧蚀速率随激光能量密度的变化关系（脉冲数N=200）

 

图11：Fe-36Ni/蓝宝石焊接接头（激光扫描速度50mm/s）在蓝宝石侧剪切强度测试后的典型断口形貌：(a)界面处断裂面的微观结构；(b) Fe-36Ni合金侧断裂面的宏观形貌；(c)靠近界面的蓝宝石基体中断裂面的微观结构；(d)图(a)标记区域II的放大图像；(e)图(a)标记区域I的放大图像；(f)图(c)标记区域的放大图像

Pan等人采用飞秒激光微焊接技术，首次成功实现了蓝宝石与Fe-36Ni合金的直接连接。获得的连接接头无气孔和微裂纹缺陷，界面宽度小于1μm，且界面处未发生明显的元素扩散或冶金反应。研究指出，对于特定材料而，当激光辐照强度略高于烧蚀阈值时，仅能通过激光辐照形成激光诱导周期性表面结构（LIPSS）；若采用更高能量密度的激光辐照，则会产生随机分布的微纳米颗粒或周期性微结构。图11展示了在蓝宝石侧进行剪切强度测试后，Fe-36Ni/蓝宝石焊接接头（激光扫描速度为50mm/s）的典型断口形貌。

◆ 飞秒激光加工印刷电路板的微观机制
飞秒激光与PCB多层异质材料间的相互作用虽复杂，但其作用机制仍遵循基本物理原理：激光能量被物质吸收后，促使物质内部原子或分子克服结合能，从而导致材料烧蚀。因此，材料对激光能量的吸收能力以及吸收后原子/分子克服粒子间结合能的能力，是引发烧蚀现象的关键要素。

有研究团队提出了一种改进型光电印刷电路板（EOPCB）结构，采用光束传播法制备了紧凑型1×16聚合物光分路器（结构如图12所示）。研究表明，该分路器各通道的平均插入损耗IL≤20dB，均匀性达1.42dB。团队还通过实验确定了最佳加工参数：刻蚀功率100mW、刻蚀速度10mm/s、槽隙间距4µm。

Lim等人提出了一种柔性PCB基板电路修复创新方法，通过激光打印技术结合飞秒激光直写（FsLDW）平台，利用还原氧化石墨烯（rGO）制备导电线路。该FsLDW技术可实现导电rGO线路的制备，既能打印新线路、修复受损线路，还能在原始电路上方以氧化石墨烯（GO）作为介电层添加辅助子电路。

 

图12：紧凑型空气包层1×16聚合物光分路器

 

图13：PCB修复实例演示：(a)控制PCB上的损坏线路，(b)采用rGO飞秒激光直写技术修复的线路

图14：PCB三维重构影像与X射线计算机断层扫描（CT）对比图

研究人员通过调节FsLDW工艺参数（脉冲能量、扫描速度和重复频率），系统评估了图案化rGO的线宽、厚度和方阻可调性。图13展示了PCB修复过程：(a)通过切断铜导线人为制造电源线路损伤；(b)在损伤区域覆盖GO层后，采用FsLDW技术构建新型导电通路。

Choi等人提出了一种创新工作流程，该方案集成了超短脉冲激光精密可复现材料去除技术与数字显微成像信息采集系统，实现了全自动PCB逆向工程。研究人员通过在PCB样品上的实验验证了该方法的有效性，并通过与X射线图像的对比分析确认了研究结果。图14并列展示了PCB的三维重构结果与X射线计算机断层扫描（CT）图像对比。实验数据显示，该方法获取的数据集不仅包含X射线CT图像的全部信息，还能揭示X射线CT未能捕捉的额外细节特征。

Lu等人系统研究了飞秒激光脉冲频率和功率对加工区域表面粗糙度、铜含量及微加工深度的影响。研究发现，在预设轨迹宽度约25µm的条件下：单条导电线路呈现清晰成形，两条平行铜轨之间无铜残留的烧蚀区域明显，此时预设间距需大于45µm。图15展示了PCB上不同宽度铜轨的SEM图像，其截面呈三角形或梯形而非理想矩形。研究还表明，~0.67µm的平均加工精度在PCB高密度精密图案制备领域，展现出显著的应用潜力。

可以看出，根据电路板制造行业的需求，激光加工技术在电路板领域的应用是当前飞秒激光技术的重要发展方向。特别是激光烧蚀工艺以及在电路板制造过程中直接成型导电线路的技术，不仅优化了制造流程还显著提升了结构性能。实践证明，飞秒激光在精密导电线路成型中的应用具有显著优势。

 

挑战、展望与结论

总体而言，基于激光的独特性质，飞秒激光金属材料加工已成为微加工领域的研究热点。本文系统综述了飞秒激光金属加工的原理与应用，包括激光的典型特性；深入探讨了激光加工的技术特征及金属材料加工理论。然而，由于飞秒激光与金属材料相互作用的复杂性，在以下方面仍存在大量亟待解决的关键问题。

根据上述分析，当前飞秒激光金属材料加工研究主要基于单脉冲作用机制。然而在实际应用中，多功率/多强度脉冲激光更为普遍，且多脉冲累积效应不可忽视，因此亟需完善材料与多脉冲飞秒激光相互作用的两温模型。

此外，飞秒激光金属加工技术基于两温模型，该模型需要精确测定激光对电子-晶格能量传递的影响。在此过程中，高电子温度会改变多种电子物理参数，包括传热过程中的后续量子化修正。通过将双温方程与分子动力学模拟相结合，有望在宏观和微观层面全面理解超快激光加工过程中的能量传递机制。

理论研究的最终目的在于指导实践。目前，飞秒激光加工技术仍处于实验室阶段，尚未实现商业化大规模应用。因此，需要通过大量实验持续获取加工数据，系统归纳影响加工质量与精度的工艺参数，从而实现精密加工，充分发挥飞秒激光的技术优势。

飞秒激光加工技术已被证实是一种极具前景的材料直接连接工艺，对光机元件的制造具有显著优势。该技术进一步拓展了激光微加工、激光手术及微纳加工等领域的应用范围。因此，结合非线性光学与等离激元光学原理的飞秒激光金属加工技术，应被视为新的发展方向。这不仅将丰富等离激元加工的基础特性研究，更能为当前激光相关领域的技术难题提供创新解决方案。

作者：Zhicong He、Lixiang Lei等人（湖北理工学院）

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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