作為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的高精度制造的獨(dú)特工具，超快激光器在過(guò)去幾年中已得到廣泛使用和認(rèn)可（圖1）。 這類激光器能夠在不產(chǎn)生熱效應(yīng)的情況下處理幾乎任何類型的材料的能力已經(jīng)開(kāi)辟了許多新的工業(yè)應(yīng)用，如醫(yī)療設(shè)備制造、高速玻璃切割或半導(dǎo)體切割等等，僅舉幾例。
圖1. 這是一款高功率的工業(yè)型超快激光器。
超快激光微加工的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)就是不產(chǎn)生熱效應(yīng)。 在大多數(shù)激光工藝中，熱吸收和隨后的能量轉(zhuǎn)移到基體會(huì)導(dǎo)致材料燒蝕。相較之下，超快激光加工依靠短脈沖持續(xù)時(shí)間和高光強(qiáng)度來(lái)電離被輻照的區(qū)域，然后在任何熱擴(kuò)散發(fā)生之前噴射該輻照區(qū)。 激光燒蝕主要限于被激光輻照的體積，因此具有非常高的精準(zhǔn)性。 然而，這也意味著與傳統(tǒng)的激光工藝相比，燒蝕物質(zhì)的數(shù)量非常小。 因此，超快激光器的最初應(yīng)用僅限于利基市場(chǎng)，主要由于該市場(chǎng)對(duì)高精度有非常高的需求，并且沒(méi)有大量生產(chǎn)的要求。
自工業(yè)超快激光技術(shù)誕生以來(lái)，對(duì)于高工業(yè)生產(chǎn)能力的需求已經(jīng)成為了關(guān)鍵的發(fā)展動(dòng)力。最直接的做法是增加激光平均功率。 如果單個(gè)激光脈沖去除給定數(shù)量的材料，那么增加激光重復(fù)率（即，每秒脈沖數(shù)）將能夠即刻提高工藝效率。
超快激光器的發(fā)展與演變
第一代工業(yè)超快激光器的平均功率在1W到10W的范圍內(nèi)。 在過(guò)去十年中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了三種不同的方法來(lái)克服這一局限性。首先，微結(jié)構(gòu)光纖通過(guò)提供大模場(chǎng)面積和單橫模傳播，擴(kuò)展了整個(gè)光纖長(zhǎng)度范圍產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)了高平均功率的加工。 其次，薄碟片技術(shù)為單位脈沖提供了高能量，從而獲得更高的平均功率，但卻對(duì)脈沖重復(fù)率造成了一些限制。
近來(lái)，板條激光技術(shù)通過(guò)光束橫截面積和多程放大的結(jié)合，也提供了顯著的潛力。所有這些技術(shù)都已經(jīng)促使商用型超快激光器的功率保持在100W的范圍內(nèi)，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的展示產(chǎn)品的平均功率也達(dá)到了1kW以上，這足以覆蓋大多數(shù)現(xiàn)有的應(yīng)用。
然而，僅僅只有激光功率并不足以保證高產(chǎn)量生產(chǎn)。 例如，即使激光物質(zhì)的相互作用在亞皮秒范圍幾乎是無(wú)熱化的，當(dāng)以高重復(fù)率操作激光時(shí)，也可能會(huì)發(fā)生熱積聚。 熱積聚來(lái)自以下情況：即使在非常小的單個(gè)脈沖中，其吸收的熱量的剩余量在下一個(gè)激光脈沖敲擊在材料上的相同位置之前無(wú)法消散?？赡塬@得的緩解方案是要確保激光束移動(dòng)得足夠快，以防止局部熱積聚。 然而，這樣一來(lái)，所需的速度比常規(guī)電流計(jì)掃描儀容易得到的速度更快。
多邊形掃描技術(shù)
近幾年來(lái)，多邊形掃描儀應(yīng)用于超快激光加工的概念再次興盛。多邊形掃描儀的線性掃描速度大于100m/s，從而可以實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率，同時(shí)保持高質(zhì)量的超快激光微加工。 因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)行方式與傳統(tǒng)的掃描儀從根本上不同。傳統(tǒng)掃描儀只能在單一維度上提供高速度，而這種多邊形掃描儀的獨(dú)特性使其適用于高速，大面積的表面處理和銑削加工，或是能夠完成高質(zhì)量的多孔模式的鉆孔加工。
要利用多邊形掃描儀進(jìn)行高產(chǎn)量加工，需要滿足的條件包括實(shí)現(xiàn)高激光功率以及先進(jìn)的光束時(shí)域工程。 激光脈沖的快速開(kāi)- 關(guān)切換以及激光重復(fù)頻率和多邊形旋轉(zhuǎn)之間非常精確的同步性，對(duì)于確保激光束在每一次旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠精確敲打在每個(gè)多邊形面中的相同位置是必不可少的。
圖2. 使用高速多邊形掃描儀進(jìn)行表面紋理化的示例。 （圖片出處：Next Scan Technology 公司）
表面處理的應(yīng)用受益于高速多邊形掃描技術(shù)的發(fā)展（圖2）。例如，超快激光器可以在無(wú)需任何化學(xué)處理的情況下對(duì)金屬表面做改性處理，從而使外觀呈現(xiàn)美麗的深黑色的著色效果（圖3）。這僅限于諸如高檔手表或小型電子消費(fèi)設(shè)備等奢侈品的激光打標(biāo)應(yīng)用。
圖3. 未經(jīng)處理的（a）與用超快激光（b）處理的銅的黑色著色。 （圖片出處：Alphanov 公司）
加快紋理的處理速度可以開(kāi)辟出新的市場(chǎng)。硅的表面紋理也可以大大增加其吸光度，從而得到更高的光電轉(zhuǎn)換效率。 目前通過(guò)在小型紅外光電探測(cè)器上的使用發(fā)現(xiàn)，更快的加工速度可將高效率的太陽(yáng)能電池帶入市場(chǎng)。
光束復(fù)用和整形
增加工業(yè)應(yīng)用中的生產(chǎn)量的另一種方法是利用目前的工業(yè)型超快激光器可獲得的高脈沖能量，具體方式是將激光束分成多個(gè)子束。 在許多應(yīng)用中，幾微焦的脈沖能量就足以滿足材料處理的需求。 目前的大功率超快激光器具有幾百微焦的脈沖能量。 光束多路復(fù)用可以通過(guò)使用靈活性最高的空間光調(diào)制器或固定衍射光學(xué)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳效率。
在另一個(gè)例子中，玻璃切割是超快激光器最為重要，同時(shí)又最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用之一（圖4）。 目前使用機(jī)械手段的技術(shù)在處理薄型淬火玻璃或多層玻璃時(shí)具有很大的局限性。超快激光器可以提供所需的質(zhì)量，但通常會(huì)以折損加工速度為代價(jià)。
圖4. 使用超快激光切割的玻璃示例。
使用非衍射貝塞爾光束的光束整形技術(shù)領(lǐng)域的最新發(fā)展允許創(chuàng)建出一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的焦點(diǎn)，其半徑在超過(guò)1mm的長(zhǎng)度內(nèi)保持在幾十微米的范圍。加上激光脈沖時(shí)域整形，如采用觸發(fā)模式操作，這一工藝已經(jīng)為高速切割厚型的多層玻璃提供了多種手段，并且這仍是一個(gè)極富前景的研發(fā)領(lǐng)域。
對(duì)于微電子更好的一體化的要求推動(dòng)了對(duì)先進(jìn)的3D 封裝的需求。 為了滿足這種需求，亟需采用新的方法來(lái)連接垂直相分離的隔層。被數(shù)百萬(wàn)個(gè)微孔穿孔的薄插入件，由硅和玻璃制成，提供了高連接密度以及層與層之間的物理分離。為了制造該部件，就需要以非常高的速度產(chǎn)生多個(gè)微孔。 通常來(lái)說(shuō)，要得到直徑為10 至30μm，螺距30 至100μm 的孔，必須在100μm或更小的玻璃板上以5000 至10000 洞/ 秒的速度打孔。結(jié)合高功率超快激光器，光束整形技術(shù)和光束復(fù)用與衍射光學(xué)元件將再次在質(zhì)量處理和速度方面取得顯著進(jìn)展。
最新一代的平均功率超過(guò)100W 的工業(yè)激光器，通過(guò)提供高產(chǎn)量工藝的潛力，打破了傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的核心障礙。 然而，為了充分利用激光光源，光束工程——即激光輸出和工件之間的光束的整形，功能化或處理已經(jīng)成為重要的研發(fā)領(lǐng)域。
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