眾所周知，皮秒脈沖激光器在廣泛的工業(yè)微加工應(yīng)用方面具有眾多優(yōu)勢(shì)。尤其值得一提的是，它幾乎沒有熱影響區(qū)，可以處理的材料范圍極其廣，甚至包括那些在可見光和近紅外光區(qū)透明的材料。不過(guò)，在早期的時(shí)候，皮秒激光器尚不具備必要的信賴度、低經(jīng)營(yíng)成本，也缺乏在許多生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)際應(yīng)用的實(shí)踐參數(shù)。而現(xiàn)在新一代的工業(yè)皮秒激光器可以實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)所具備的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。本文探討了納秒和皮秒激光加工之間的主要差異，介紹了當(dāng)前可用的皮秒激光源的基本體系結(jié)構(gòu)以及在工業(yè)中的典型應(yīng)用。

　　皮秒 Vs 納秒

　　微加工通常針對(duì)的是微米級(jí)別的加工需求，如孔和槽,同時(shí)還要避免對(duì)周邊材料造成熱損傷。換句話說(shuō)，微加工的目的就是獲得精細(xì)、干凈的切口，而且熱影響區(qū)(HAZ)最小。

　　用激光進(jìn)行精密鉆孔、劃片或者切割有兩種基本機(jī)制。許多傳統(tǒng)應(yīng)用主要依賴于紅外和可見光調(diào)Q激光器，它們的脈寬在數(shù)十納秒范圍，通過(guò)光熱作用來(lái)移除材料(見圖1)。在這種情況下，聚焦的激光光束是密閉的、強(qiáng)度高的熱源，它會(huì)迅速加熱目標(biāo)材料并最終使之汽化。

　　這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它可以快速去除相對(duì)較多的目標(biāo)材料(特別是調(diào)Q激光器通常以數(shù)千赫茲的重復(fù)頻率運(yùn)行)。而且，眾所周知的是納秒激光技術(shù)具有完善的技術(shù)基礎(chǔ)，來(lái)源高度可靠，運(yùn)營(yíng)成本也很有吸引力。不過(guò)，對(duì)那些要求最苛刻的加工任務(wù)來(lái)說(shuō)，在熱影響區(qū)的大小、頻繁產(chǎn)生的重鑄材料或者是表面涂層的分層開裂等方面仍然存在一些限制。

　　激光去除材料的第二種機(jī)制建立在光化學(xué)燒蝕(圖1)基礎(chǔ)上。在這種情況下，激光光子直接破壞目標(biāo)材料的結(jié)合鍵。這相對(duì)來(lái)說(shuō)是一種“冷”加工過(guò)程，因而熱影響區(qū)很小。另外，整個(gè)加工過(guò)程很干凈，沒有重鑄材料，因而很少需要后期再加工。

　　紫外(UV)激光光子的高能量意味著在很多材料中它們可以驅(qū)動(dòng)光化學(xué)燒蝕的發(fā)生。因此，紫外調(diào)Q激光器通過(guò)光化學(xué)燒蝕來(lái)去除材料。不過(guò)，可以實(shí)現(xiàn)完全的光化學(xué)燒蝕作用的另一個(gè)方法是使用皮秒量級(jí)或者是更短的脈沖。這些超短脈沖具有非常高的瞬時(shí)峰值功率(兆瓦及以上)，其高能量密度使其可以通過(guò)多光子吸收來(lái)激發(fā)材料中的電子并且直接破壞原子鍵(圖 2)。此外，由于脈寬比機(jī)械加工材料的熱擴(kuò)散率短，殘余熱效應(yīng)帶來(lái)的大部分熱量都會(huì)被帶走，而來(lái)不及傳播開來(lái)，因而基本不會(huì)生成熱影響區(qū)。

　　除了加工過(guò)程中基本沒有熱影響區(qū)，超快加工的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它適用的材料范圍非常廣泛，包括幾種寬禁帶材料(例如玻璃和某些聚合物)，這類材料線性吸收和光吸收很低，因此很難用現(xiàn)有的商業(yè)化激光器來(lái)處理。具體來(lái)說(shuō)，即使這些材料在激光波長(zhǎng)范圍通常是透射的，這一“波長(zhǎng)不可知”技術(shù)也可以誘發(fā)非線性吸收。

　　目前市面上的皮秒激光器的范圍通常從紅外到紫外。一般來(lái)說(shuō)，紫外皮秒激光器在高精度和最小熱影響區(qū)方面有著最佳的表現(xiàn)。這是因?yàn)樗鼈兓径际枪饣瘜W(xué)燒蝕，而且還可以聚焦到最小的光斑尺寸(通過(guò)衍射)。從另一方面來(lái)說(shuō)，紅外和可見光皮秒激光器通常會(huì)提供更大的輸出功率，從而帶來(lái)更高的處理速度。

　　皮秒激光體系結(jié)構(gòu)

　　雖然目前市面上的工業(yè)超快激光器在形式和結(jié)構(gòu)上多種多樣，但是它們都有著同樣的基本配置。具體地說(shuō)，通過(guò)被動(dòng)鎖模振蕩來(lái)輸出10皮秒或者更短的脈沖，這個(gè)是驅(qū)動(dòng)光化學(xué)燒蝕的必要條件。然而，大多數(shù)鎖模振蕩器產(chǎn)生的脈沖相對(duì)來(lái)說(shuō)能量較低，重復(fù)頻率在數(shù)十兆赫。這一太高的重復(fù)頻率無(wú)法用現(xiàn)有的掃描技術(shù)來(lái)處理，所以用脈沖選擇器來(lái)提取這些脈沖中的一小部分，然后通過(guò)放大器來(lái)放大這些脈沖的能量，再進(jìn)行最終的輸出。

　　大多數(shù)商業(yè)皮秒產(chǎn)品都基于以下體系結(jié)構(gòu)之一：

　　• 光纖振蕩器加光纖或棒狀光纖放大器，

　　• 光纖振蕩器加自由空間放大器，

　　• 二極管泵浦固態(tài)振蕩器加自由空間放大器。

　　全光纖振蕩器加放大器方案的優(yōu)勢(shì)是成本相對(duì)較低。不足之處是非線性、散射以及光纖放大器中的一些其他效應(yīng)限制了單位脈沖能量的最大值，這個(gè)數(shù)字是10μJ(在10皮秒脈沖時(shí))。因此，獲得高平均功率的唯一方法就是提高重復(fù)頻率，而這一方法在光束傳導(dǎo)系統(tǒng)方面遇到了難題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)光束偏轉(zhuǎn)機(jī)制，例如振鏡掃描，都不夠快，以避免單個(gè)脈沖在工件表面重疊。例如，直徑為50μm的焦點(diǎn)光斑，脈沖重復(fù)頻率為1MHz，掃描速度需要達(dá)到50m/s才能避免脈沖重疊，這一速度很少能做到。結(jié)果是加工處理速度受到了限制。

　　為了實(shí)現(xiàn)大部分應(yīng)用所需要的更高的脈沖能量，可以用光纖振蕩器匹配自由空間放大器。例如，Coherent公司的Talisker激光器就使用了這種方法。由于種子源的輸出能量相對(duì)較低，所以需要使用再生放大器。在再生放大器中，脈沖被極大地放大，同時(shí)光束的性能和質(zhì)量被很好地保持下來(lái)。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，Talisker激光器可以提供180μJ的脈沖能量(在1064nm和200kHz下)。

　　第三種方法是使用半導(dǎo)體泵浦固態(tài)振蕩器，這種方法可以產(chǎn)生更高的脈沖能量。然后是自由空間放大器，通常是再生放大器或多級(jí)放大器。事實(shí)上，可以使用多個(gè)放大器階段來(lái)把功率提升到更高水平。例如，Coherent公司2012年收購(gòu)Lumera Laser公司后獲得的產(chǎn)品就是在Nd:YVO4種子源后加入了一個(gè)或多個(gè)放大器，使Lumera激光器的脈沖能量高達(dá)200μJ(在1064nm)。表1總結(jié)了靈活的模塊化體系結(jié)構(gòu)分別使用一級(jí)、兩級(jí)或三級(jí)放大器后可以獲得的最大平均功率。

　　這一產(chǎn)品使用了瞬態(tài)多級(jí)放大器，這是因?yàn)樗谶@種情況下具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。尤其是與再生放大器相比，瞬態(tài)放大器能提供更高的重復(fù)頻率，并且能更靈活地調(diào)整重復(fù)頻率(在這種情況下包括從單脈沖至2兆赫)。

　　瞬態(tài)放大器結(jié)構(gòu)的另一個(gè)極為重要的優(yōu)勢(shì)是，它支持“脈沖串模式”操作，即脈沖選擇器可以傳遞一串連續(xù)脈沖(通?？蛇_(dá)10個(gè))，而不只是單脈沖。這一整串脈沖可以在后續(xù)階段被放大。

　　這一模式的優(yōu)點(diǎn)是，在某些情況下，它可以大大提高某一平均激光功率下的燒蝕率(每單位時(shí)間去除材料的量)。例如，實(shí)驗(yàn)表明，重復(fù)頻率為1MH時(shí)，當(dāng)一串5個(gè)脈沖通過(guò)放大器時(shí)，與單個(gè)脈沖相比，前者可以增加5～10倍燒蝕率。每種情況下產(chǎn)生的平均功率是類似的，而且實(shí)際上，脈沖串模式下的每脈沖能量較低(因?yàn)榉糯笃髟鲆姹环峙涞綆讉€(gè)脈沖中)。然而，當(dāng)脈沖的間距較小時(shí)，燒蝕率并不線性地取決于脈沖能量。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　燒蝕率的確切機(jī)制仍在研究中，但目前有一些新興的受到推崇的理論。它認(rèn)為，在脈沖之間只有20納秒左右間隔時(shí)，材料沒有時(shí)間放松，仍然會(huì)處于“預(yù)處理”狀態(tài)，這就使得脈沖串中隨后的脈沖可以實(shí)現(xiàn)更大的材料去除，盡管能量較低。

　　該模式可以極大地開辟超快微加工的參數(shù)空間。事實(shí)證明它在那些有自由電子的材料上能發(fā)揮最大的作用，例如鋼、硬質(zhì)合金和硅等材料。而對(duì)于包括陶瓷和玻璃在內(nèi)的那些介質(zhì)材料，它的優(yōu)勢(shì)很小，甚至基本沒有。