隨著超快激光技術(shù)的發(fā)展，其技術(shù)的突破為精細(xì)加工行業(yè)帶來(lái)了希望。在精細(xì)加工領(lǐng)域，飛秒激光正在取代皮秒激光成為最熱門(mén)的話題。本文結(jié)合激光精細(xì)加工的發(fā)展過(guò)程，主要對(duì)飛秒激光的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1. 引言

　　從1960年第一臺(tái)紅寶石激光器誕生至今，人們對(duì)激光技術(shù)的探索從未止步。激光因其優(yōu)越的特性越來(lái)越多地為人們所知，更多的應(yīng)用被發(fā)掘出來(lái)，尤其是在對(duì)高新技術(shù)比較敏感的工業(yè)領(lǐng)域。就人類社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)階段，工業(yè)需求是社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。激光應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域已經(jīng)有20多年的歷史，其深度和廣度都已經(jīng)達(dá)到了前所未有的階段。

2. 激光加工工業(yè)

　　在第一臺(tái)激光器誕生之初，功率較低，系統(tǒng)整體較大，無(wú)法直接應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域。這之后的幾十年里，隨著激光技術(shù)的發(fā)展與新型激光介質(zhì)的出現(xiàn)，激光技術(shù)瓶頸不斷突破，激光器無(wú)論從深度還是廣度上都有很大的進(jìn)步。激光在工業(yè)中的應(yīng)用之多，數(shù)不勝數(shù)，如激光印刷、刻錄、打標(biāo)、雕刻、焊接、切割、毛化、調(diào)阻、熔敷等等，且潛力巨大。

　　從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，從深度上來(lái)看，激光加工工業(yè)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：

　　第一階段是納秒（1ns=10-9s）激光器應(yīng)用階段。調(diào)Q技術(shù)獲得的納秒脈沖，其峰值功率遠(yuǎn)高于平均功率，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)激光器無(wú)法達(dá)到的高瞬時(shí)功率密度，從而瞬間超過(guò)材料破壞閾值，實(shí)現(xiàn)刻蝕效果。

　　第二階段是本世紀(jì)伊始，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）使皮秒（1ps=10-12s）激光技術(shù)迅猛發(fā)展，并很快應(yīng)用于工業(yè)中。皮秒激光器一直以來(lái)都是通過(guò)染料進(jìn)行鎖模，但是染料需要循環(huán)，且經(jīng)常容易漂白而影響鎖模的穩(wěn)定性。SESAM不但能夠代替染料進(jìn)行鎖模，而且能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動(dòng)。在此背景下，迅速涌現(xiàn)出了眾多商業(yè)化的工業(yè)級(jí)皮秒激光器。

　　相較納秒激光，皮秒激光器以其更短的脈沖寬度、更高的峰值功率，能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的加工效果。一時(shí)間，精細(xì)加工成為熱點(diǎn)話題。

　　然而，第三階段，真正做到精細(xì)加工是在飛秒（1 fs=10-15 s）激光下實(shí)現(xiàn)的。

　　我們首先來(lái)看激光與固體之間的相互作用機(jī)理：

　?。?）激光首先激發(fā)的是固體的電子，在100 fs內(nèi)電子吸收光子的能量而躍遷到高能級(jí)；

　?。?）由于電子相對(duì)于晶格的溫度更高，因此其處于非平衡態(tài)。為了達(dá)到平衡，電子會(huì)在1ps內(nèi)將能量傳遞給晶格；

　?。?）在10ps時(shí)間內(nèi)，這些能量將被逐步傳遞到材料內(nèi)部。

　　因此，對(duì)于10 ps左右的皮秒激光加工，材料有足夠的時(shí)間把熱量傳遞到其內(nèi)部，然后才發(fā)生刻蝕作用，因此熱效應(yīng)實(shí)際上無(wú)法避免。而對(duì)于飛秒激光，脈沖作用時(shí)間已經(jīng)小于1ps，電子沒(méi)有足夠的時(shí)間將能量傳遞給晶格。從而在材料表面生成眾多等離子體，能量伴隨著材料的去除而消散，因此出現(xiàn)強(qiáng)烈的刻蝕效果。也就是說(shuō)，當(dāng)激光脈寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶格的受熱時(shí)間時(shí)，燒蝕時(shí)間不依賴于激光脈寬。圖1為長(zhǎng)脈沖激光與飛秒激光對(duì)比。

    從上面三個(gè)階段，我們可以看到，激光加工的發(fā)展與激光器的發(fā)展基本上是同步的，一個(gè)新的技術(shù)突破，就可能迎來(lái)激光工業(yè)應(yīng)用的飛躍，當(dāng)然，也會(huì)帶來(lái)新的疑問(wèn)：

　　第一，皮秒激光器既然無(wú)法完全避免加工時(shí)的熱效應(yīng)，那么是否它對(duì)精細(xì)加工就沒(méi)有意義，或者說(shuō)已經(jīng)失去了存在的價(jià)值和必要性？

　　當(dāng)然不是。皮秒激光雖然無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)的冷加工，但相對(duì)于飛秒激光器，價(jià)格較低，且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，功率較高。因此，對(duì)于這樣一個(gè)超短脈沖技術(shù)的過(guò)渡性產(chǎn)品，如何充分利用就值得我們思考了。目前值得借鑒的方法是，將皮秒激光進(jìn)行三倍頻，利用紫外光與材料的“光蝕”作用，高能量的光子通過(guò)“冷”處理直接破壞材料的化學(xué)鍵，從而減小加工的熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)“冷”加工。目前，該系統(tǒng)對(duì)于透明性材料加工有較大的優(yōu)勢(shì)。此類激光器很多，例如Photonics industry公司的15 ps的355 nm激光器。

　　第二，飛秒激光器能夠?qū)崿F(xiàn)非熱刻蝕，那是不是脈沖寬度越短，加工越精細(xì)呢？實(shí)際上，刻蝕效果與六個(gè)主要因素有關(guān)：平均功率、脈寬、波長(zhǎng)、譜寬、單脈沖能量、頻率。

　　一般來(lái)說(shuō)，脈沖寬度越短，就越難獲得高平均功率。因此，從這方面來(lái)說(shuō)，短脈沖是以犧牲平均功率為代價(jià)的。

　　另外，脈沖寬度越窄，譜寬就會(huì)越大。因此，色差也會(huì)影響加工效果。

　　其次是波長(zhǎng)的影響，對(duì)于一般材料而言，波長(zhǎng)對(duì)刻蝕效果影響不大，只有在對(duì)透明材料（如SiO2）進(jìn)行加工的時(shí)候才考慮，而且應(yīng)該考慮波長(zhǎng)的問(wèn)題。如前面所說(shuō)，透明材料對(duì)紫外光有強(qiáng)烈的吸收，而對(duì)于可見(jiàn)和紅外光的透過(guò)率卻很高。因此通常將超快激光的三倍頻光用于加工。對(duì)于幾十飛秒的激光器而言，光譜寬度達(dá)到20 nm，甚至是50 nm，因此三倍頻效率非常低。而皮秒激光器卻能獲得較高的三倍頻率輸出。

　　頻率則會(huì)影響加工速度。一般來(lái)說(shuō)是越高越好，但是通常只有振蕩器才是80 MHz左右，而振蕩器的單脈沖能量太低，因此需要放大，放大器的頻率一般從1 kHz到幾百千赫茲不等。

　　因此，對(duì)于超快激光加工，不能盲目追求超短脈沖，必須看實(shí)際的需求。而且脈沖極短而高功率的飛秒激光器，價(jià)格不菲。就目前的精細(xì)加工需求而言，百飛秒級(jí)，幾百千赫茲頻率的激光器應(yīng)該是足夠應(yīng)對(duì)通常的精細(xì)加工需求，例如JENOPTIK公司的D2.fs工業(yè)級(jí)激光器（4 W，400 fs，300 kHz，1025 nm，20 μJ @ 200 kHz）。而且該激光器采用光纖激光器振蕩器，能夠做到長(zhǎng)壽命、免維護(hù)，這是一個(gè)亮點(diǎn)。從指標(biāo)、價(jià)格、穩(wěn)定性、綜合性價(jià)比來(lái)看，該激光器是非常不錯(cuò)的。

　　近兩年，飛秒激光技術(shù)得到了迅速提高，我國(guó)經(jīng)濟(jì)也穩(wěn)步發(fā)展，國(guó)外更多的先進(jìn)產(chǎn)品涌進(jìn)來(lái)。例如KMlabs的12 fs振蕩器和峰值功率太瓦級(jí)放大器，menlosystems的飛秒光纖激光器，Lumera和photonics industry的皮秒激光器等就是比較成功的幾款商品化的超快激光器。

　　3．激光精細(xì)加工

　　對(duì)于一套激光精細(xì)加工系統(tǒng)，除了激光器外，整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的搭建，軟件控制也是重要的問(wèn)題。任何一個(gè)方面的缺憾，都足以影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。

    軟件方面，普通的標(biāo)刻軟件已經(jīng)無(wú)法滿足需求，在納秒脈沖打標(biāo)下無(wú)須考慮的很多問(wèn)題，如何克服首脈沖、拐角漏點(diǎn)等擺在我們面前。

　　硬件方面，由于目前最好的振鏡的定位精度也只能達(dá)到10μm級(jí)別，很難勝任更精細(xì)的加工，因此，通常選用速度較慢而精度極高的位移平臺(tái)來(lái)組建系統(tǒng)，高精度位移平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)的精確控制。同時(shí)，還要考慮光路系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，矯正像差和色差以實(shí)現(xiàn)更小的聚焦光斑。

　　除此之外，為滿足不同加工需求，還要考慮夾具，工藝等多方面的問(wèn)題。例如，心血管支架的加工因?yàn)槭侵婵涛g，所以對(duì)軟件和夾具有不同于平面加工的要求，而且難度更大，如圖2。

　　再如調(diào)節(jié)焦距，使得焦斑的中心強(qiáng)度剛好達(dá)到材料的多光子電離閾值，則加工過(guò)程中的能量吸收和作用僅限于焦點(diǎn)中心位置處的很小一部分體積內(nèi)，而不是整個(gè)聚焦光斑輻照的區(qū)域。這樣，可以實(shí)現(xiàn)比聚焦光斑小得多的加工尺寸。

4．結(jié)語(yǔ)

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)需求的發(fā)展，精細(xì)加工已經(jīng)成為激光加工領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前，中國(guó)的精細(xì)加工還處在萌芽階段，因此，具有兩方面的內(nèi)涵：

　　第一，萌芽階段意味著不成熟，目前在國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有成熟的商品化飛秒精細(xì)加工系統(tǒng)，需要我們更多的探索。為了避免盡量少的走彎路，減少不必要的損失，應(yīng)該更多地注意方法，更全面地考慮問(wèn)題。

    精細(xì)加工問(wèn)題，不僅僅是激光器的問(wèn)題，而是系統(tǒng)全面優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)更高精度要求的問(wèn)題，刻蝕效果是我們追求的最終目標(biāo)。國(guó)外已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有，彼此的差別并不僅僅是激光器，還有工藝問(wèn)題。工藝研究是一門(mén)復(fù)雜的科學(xué)，一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)的不懈努力，例如軟件參數(shù)的設(shè)置和工藝效果的嘗試等。盡管激光器是關(guān)鍵部件，但只把眼界局限在激光器上，而忽略了整體系統(tǒng)的集成和優(yōu)化是我們的致命傷。

　　第二，對(duì)起步階段的中國(guó)精細(xì)加工領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，正因?yàn)闆](méi)有成熟的飛秒精細(xì)加工系統(tǒng)，因此市場(chǎng)潛力巨大，誰(shuí)將會(huì)是第一個(gè)吃到螃蟹的人呢？