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的話題。本文結(jié)合激光精細(xì)加工的發(fā)展過程，主要對飛秒激光的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1. 引言

　　從1960年第一臺紅寶石激光器誕生至今，人們對激光技術(shù)的探索從未止步。激光因其優(yōu)越的特性越來越多地為人們所知，更多的應(yīng)用被發(fā)掘出來，尤其是在對高新技術(shù)比較敏感的工業(yè)領(lǐng)域。就人類社會發(fā)展的現(xiàn)階段，工業(yè)需求是社會發(fā)展的強(qiáng)大動力。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)

　　在第一臺激光器誕生之初，功率較低，系統(tǒng)整體較大，無法直接應(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年代開始，從深度上來看，激光加工工業(yè)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：

　　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)激光器無法達(dá)到的高瞬時功率密度，從而瞬間超過材料破壞閾值，實現(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都是通過染料進(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。在此背景下，迅速涌現(xiàn)出了眾多商業(yè)化的工業(yè)級皮秒激光器。

　　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。一時間，精細(xì)加工成為熱點話題。

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

　　我們首先來看激光與固體之間的相互作用機(jī)理：

　　（1）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；

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

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

　　因此，對于10 ps左右的皮秒激光加工，材料有足夠的時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)實際上無法避免。而對于飛秒激光，脈沖作用時間已經(jīng)小于1ps，電子沒有足夠的時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，當(dāng)激光脈寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶格的受熱時間時，燒蝕時間不依賴于激光脈寬。圖1為長脈沖激光與飛秒激光對比。

    從上面三個階段，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，一個新的技術(shù)突破，就可能迎來激光工業(yè)應(yīng)用的飛躍，當(dāng)然，也會帶來新的疑問：

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

　　當(dāng)然不是。皮秒激光雖然無法實現(xiàn)精細(xì)的冷加工，但相對于飛秒激光器，價格較低，且結(jié)構(gòu)相對簡單，功率較高。因此，對于這樣一個超短脈沖技術(shù)的過渡性產(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“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)，實現(xiàn)“冷”加工。目前，該系統(tǒng)對于透明性材料加工有較大的優(yōu)勢。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？實際上，刻蝕效果與六個主要因素有關(guān)：平均功率、脈寬、波長、譜寬、單脈沖能量、頻率。

　　一般來說，脈沖寬度越短，就越難獲得高平均功率。因此，從這方面來說，短脈沖是以犧牲平均功率為代價的。

　　另外，脈沖寬度越窄，譜寬就會越大。因此，色差也會影響加工效果。

　　其次是波長的影響，對于一般材料而言，波長對刻蝕效果影響不大，只有在對透明材料（如SiO2）進(jìn)行加工的時候才考慮，而且應(yīng)該考慮波長的問題。如前面所說，透明材料對紫外光有強(qiáng)烈的吸收，而對于可見和紅外光的透過率卻很高。因此通常將超快激光的三倍頻光用于加工。對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。

　　頻率則會影響加工速度。一般來說是越高越好，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，對于超快激光加工，不能盲目追求超短脈沖，必須看實際的需求。而且脈沖極短而高功率的飛秒激光器，價格不菲。就目前的精細(xì)加工需求而言，百飛秒級，幾百千赫茲頻率的激光器應(yīng)該是足夠應(yīng)對通常的精細(xì)加工需求，例如JENOPTIK公司的D2.fs工業(yè)級激光器（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，能夠做到長壽命、免維護(hù)，這是一個亮點。從指標(biāo)、價格、穩(wěn)定性、綜合性價比來看，該激光器是非常不錯的。

　　近兩年，飛秒激光技術(shù)得到了迅速提高，我國經(jīng)濟(jì)也穩(wěn)步發(fā)展，國外更多的先進(jìn)產(chǎn)品涌進(jìn)來。例如KMlabs的12 fs振蕩器和峰值功率太瓦級放大器，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

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

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

　　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來組建系統(tǒng)，高精度位移平臺能夠?qū)崿F(xiàn)納米級的精確控制。同時，還要考慮光路系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)的設(shè)計問題，矯正像差和色差以實現(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，工藝等多方面的問題。例如，心血管支架的加工因為是柱面刻蝕，所以對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，則加工過程中的能量吸收和作用僅限于焦點中心位置處的很小一部分體積內(nèi)，而不是整個聚焦光斑輻照的區(qū)域。這樣，可以實現(xiàn)比聚焦光斑小得多的加工尺寸。

4．結(jié)語

　　隨著我國經(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。目前，中國的精細(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，目前在國內(nèi)尚沒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，更全面地考慮問題。

    精細(xì)加工問題，不僅僅是激光器的問題，而是系統(tǒng)全面優(yōu)化以實現(xiàn)更高精度要求的問題，刻蝕效果是我們追求的最終目標(biāo)。國外已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品，而國內(nèi)還沒有，彼此的差別并不僅僅是激光器，還有工藝問題。工藝研究是一門復(fù)雜的科學(xué)，一個復(fù)雜的系統(tǒng)，需要一個團(tuán)隊的不懈努力，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，對起步階段的中國精細(xì)加工領(lǐng)域來說，正因為沒有成熟的飛秒精細(xì)加工系統(tǒng)，因此市場潛力巨大，誰將會是第一個吃到螃蟹的人呢？