飛秒激光與其它激光加工有什麼不同？

飛秒激光與其它激光加工有什麼不同？

從原理上進行分析和闡述

在這裡，我們指的飛秒激光是指脈寬為1-1000 fs（1 fs=10-15s）的激光，其它激光是指脈寬大於1000 fs（1 ps）的脈衝激光或連續激光。

激光加工過程中需要考慮激光的波長、能量（或功率）、脈寬、頻譜、脈衝頻率、偏振、相位等因素，同時還要考慮聚焦系統以及掃描速度和方向，被加工對象物質的組成、結構和形態，甚至是物質所處的環境條件如溫度和氣氛。

脈寬是其中一個非常重要的具有普遍影響的激光參數。飛秒激光也主要是指現在用得最多的鈦寶石以及Yb3+摻雜晶體和光纖激光器為主，波長在1 μm附近的近紅外的飛秒激光。

飛秒激光系統昂貴

飛秒激光現在已開始用於切割、鑽孔、焊接、打標、剝離、修復等加工領域。但目前實際應用較少，原因是飛秒激光的價格比長脈衝激光和連續激光要貴很多。

飛秒激光貴的原因主要有：

1）根據傅里葉變化關係，要產生超短飛秒脈衝必須具有寬光譜的增益介質，增益介質的帶寬決定了最終能實現的脈寬。

2）飛秒激光脈衝一般需要通過鎖膜技術來實現，激光系統比較複雜。

飛秒激光特性很好

飛秒加工有不少優勢，首先體現在精度高。

飛秒激光由於其脈寬很短，較低的脈衝能量就可以獲得極高的峰值功率（脈衝能量/脈寬），當用物鏡等進一步聚焦到材料時，由於焦點附近能量密度很高，能引起各種強烈的非線性效應。

激光加工可以認為是一種激光誘導反應，原理上分為誘導分子振動和電子激發。前者是熱反應，後者與構成物質的原子外殼層電子關聯的化學鍵相作用。近紅外飛秒激光加工通過多光子過程，實現有空間選擇性的微觀結構操控，而不影響表面結構，這是飛秒激光加工的另外一個優勢。

一般情況下，在激光輻照下，電子吸收光子被激發的時間在fs範圍（脈衝作用過程中），隨後發生電子-聲子耦合，能量傳遞至晶格與晶格達到熱平衡的時間在幾個到幾十ps量級。熱擴散、材料熔融的時間尺度隨著材料的不同而有所區別，基本在幾十到幾百ps的時間量級。材料表面燒蝕形成的時間為幾百ps到ns不等。

在納秒及皮秒激光作用下，電子氣中沉積的激光能量在激光脈衝照射材料的時間內就傳給晶格，從而引起材料的加熱、熔化甚至燒蝕，過程中熱效應的作用明顯。正是由於飛秒激光的高精度和「冷加工」特性，它可以廣泛應用於微電子、航空航天等工業領域，也應用於醫療，如近視眼矯正、腦科手術等。

不同脈寬激光在100 μm厚的不鏽鋼薄片上打孔的效果

飛秒激光作用於金屬時，由於飛秒激光的脈衝寬度小於電子-聲子相互作用的時間尺度，電子吸收的激光能量來不及傳給離子就結束了。所以電子的溫度很高而離子的溫度還很低，飛秒激光燒蝕金屬是一個非平衡燒蝕。雙溫模型和改進的雙溫模型表明晶格的溫度變化跟晶格熱傳導和電子-晶格耦合有關。在高強度（≥1014W/cm2） 飛秒激光的作用下，材料的電離完成於脈衝作用時間（~100 fs）結束前，此時金屬和介質的燒蝕機理是一樣的。

飛秒激光是冷加工，其實是一個誤解

飛秒激光加工還與激光脈衝頻率有關。當將眾多的飛秒激光脈衝串起來准連續的脈衝陣列也就是脈衝頻率很高時，飛秒激光加工的剩餘熱會產生熱累積效應。控制重複頻率則有望實現兼具飛秒激光和長脈衝或連續激光特徵的多光子吸收和熱效應共存的三維結構製備，進一步拓展形成微納結構的種類與材料的功能。

飛秒激光在碲酸鹽玻璃樣品中

誘導的熱影響區域

上圖是250 fs, 800 nm, 500 kHz飛秒激光在碲酸鹽玻璃樣品中誘導的熱影響區域的光學照片。誘導的結構呈現明顯的熱效應，結構隨照射時間明顯增大。

飛秒激光與材料相互作用過程中，光子加熱電子（0.1ns），這樣激光加工的剩餘熱會產生一個熱場。對於低重複頻率飛秒激光，由於脈衝之間的間隔時間較長，在下一個脈衝到達材料的時候，激光聚焦區域的溫度已經下降到環境溫度。而對於高重複頻率飛秒激光，由於其脈衝之間的間隔時間較短，當這個時間短於激光照射產生的熱場擴散所需的時間的時候，下一個脈衝到達樣品時，前一個脈衝產生的熱場還沒有完全消散，就會導致熱量的累積作用。而隨著照射時間的延長，激光脈衝數量的增加，激光聚焦區域的溫度會逐漸升高，直至到達動態平衡。高重複頻率飛秒激光照射過程中產生的熱場雖然會增大激光誘導微納結構的尺寸，但它對某些微納結構的形成也是至關重要的。

作者： 邱建榮

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