文/Sami Hendow，IMRA America

從(cong) 一家大型汽車製造商的生產(chan) 線上下線的汽車發動機活塞；該活塞已經過飛秒激光處理，以提升發動機性能。

2018年諾貝爾物理學獎授予Arthur Ashkin、Gérard Mourou和Donna Strickland，以表彰他們(men) 在激光物理學領域的突破性發明。特別是，Mourou和Strickland因其產(chan) 生高強度超短光脈衝(chong) 的方法而獲得諾貝爾獎。該方法通常稱為(wei) 啁啾脈衝(chong) 放大（CPA；見圖1）。該獎項不僅(jin) 是為(wei) 了表彰科學界對CPA革新性的承認，也是因為(wei) 它對激光產(chan) 業(ye) 產(chan) 生的影響。目前，CPA是產(chan) 生飛秒脈衝(chong) 的主要手段。

業(ye) 界對產(chan) 生和使用越來越短、越來越強的激光脈衝(chong) 的興(xing) 趣一直很高。然而，現實中也存在一種物理障礙，阻止這種脈衝(chong) 在固態放大器和光纖中被高度放大。隨著脈衝(chong) 的變短和峰值功率的增加，出現的光學非線性問題限製了在材料中傳(chuan) 輸的峰值光功率。由光學非線性效應引起的相幹光散射降低了放大器的效率，並且導致其他不良後果。然而，更重要的是，強激光脈衝(chong) 的高峰值功率，達到了放大器係統中元件的材料損傷(shang) 閾值。

CPA通過使用長的光纖或一對衍射光柵，在放大之前展寬激光脈衝(chong) 來繞過這些限製（見圖1）。在對展寬的脈衝(chong) 進行放大之後（遠低於(yu) 放大器元件的光學損傷(shang) 閾值）排布了一個(ge) 光柵對，使得脈衝(chong) 長波部分的光程比短波部分的光程短，從(cong) 而逆轉早期的脈衝(chong) 展寬。這一概念提供了一種產(chan) 生高能量超快激光脈衝(chong) 的方法，開辟了許多科學應用以及隨後的工業(ye) 應用。

圖1：Strickland和Mourou在1985年發表的CPA係統示意圖。[1]

Ultrashort pulse, low energy 超短脈衝(chong) ，低能量

Chirped pulse, low energy 啁啾脈衝(chong) ，低能量

Chirped pulse, high energy 啁啾脈衝(chong) ，高能量

Seed oscillator 注入種子光的諧振腔

Stretcher 展寬器

Amplifier 放大器

Ultrashort pulse, high energy 超短脈衝(chong) ，高能量

Compressor 壓縮器

背 景

20世紀90年代早期，鈦寶石（Ti:sapphire）激光器是研究市場的流行工具。其寬可調帶寬、短脈衝(chong) 和高能量，使得研究許多新穎的應用成為(wei) 可能。多光子成像一直是受益於(yu) 此能力的成功應用之一。

盡管取得了這些成就，但這種早期技術由於(yu) 其規模和複雜性而未能在商業(ye) 上廣泛部署。隨著光通信的發展，基於(yu) 光纖的飛秒激光技術得到了長足的改進，部分地克服了鈦寶石激光器的缺點；但由於(yu) 仍然存在功率和脈衝(chong) 能量低的問題，因此取得的成功是有限的。最後，CPA技術與(yu) 光纖激光器的發展相結合，實現了前所未有的市場應用和機會(hui) 。

由於(yu) CPA的發明是公開的，許多學術和商業(ye) 組織將這一概念運用於(yu) 驚人的應用中，並且受益良多。1999年，美國加州理工學院的Ahmed Zewail因使用飛秒光譜學研究化學反應的過渡態而獲得了諾貝爾化學獎。

飛秒激光在非學術領域的首次大規模應用是在眼科領域。高強度飛秒脈衝(chong) ，是在沒有熱損傷(shang) 的情況下分離透明生物組織的理想工具。在用準分子激光器重塑角膜基質之前，通過飛秒激光產(chan) 生角膜瓣，已經在視力矯正方麵實現了商業(ye) 化。

今天，全飛秒激光角膜視力矯正已成為(wei) 可能。基於(yu) 光纖的CPA（FCPA）已被證明是這種先進眼科應用的理想選擇，因為(wei) 它的可靠性支撐了光學性能。

21世紀初期的經濟放緩，為(wei) 幾項新技術的發展開辟了道路。其中最重要的是人們(men) 對高功率激光光源的興(xing) 趣，激發了對包層泵浦光纖放大器和高功率固態激光器的興(xing) 趣。這些發展的早期應用包括元件和儀(yi) 器測試，以及國防相關(guan) 應用的材料損傷(shang) 分析。

材 料 加 工

與(yu) 此同時，在材料加工領域，皮秒脈衝(chong) 激光器被認為(wei) 是優(you) 於(yu) 納秒激光器的新工具。皮秒脈衝(chong) 的使用減少了材料的熱損傷(shang) ，從(cong) 而使激光能夠更廣泛地滲透到製造業(ye) 領域，例如用於(yu) 打標、鑽孔和切割。

盡管如此，由於(yu) 飛秒激光技術的特性及其對材料加工的顯著改進，使得飛秒激光器在許多應用中已經成為(wei) “必須”的工具。IMRA America公司在2002年首次生產(chan) 出用於(yu) 材料加工的微焦量級的商業(ye) 化飛秒FCPA激光器。[2]基於(yu) 光纖技術，FCPA成為(wei) 構建高峰值功率、高平均功率和高脈衝(chong) 能量飛秒激光器的常用手段。

大體(ti) 上說，飛秒脈衝(chong) 激光器對熱影響區（HAZ）減少的水平，是其他激光器無法比擬的。接近手術水平地將能量輸送到工件，為(wei) FCPA在精密消費電子零件製造（包括顯示器行業(ye) ）領域的應用打開了大門。

飛秒激光器在切割矽晶圓方麵的應用一直備受關(guan) 注，因為(wei) 飛秒激光脈衝(chong) 的高峰值功率，可用於(yu) 消融矽晶圓和其他沉積在矽晶圓表麵的材料，並且對相鄰組件的影響或熱損傷(shang) 最小。通常，這些矽晶圓預先配置了切割通道。這些通道也用於(yu) 芯片分割之前的探測和測試。因此，切割通道填充有傳(chuan) 感器和探測點。在這種情況下，飛秒光束用於(yu) 去除那些附加的表麵層，同時支持矽晶圓的隱形切割。由於(yu) 飛秒激光脈衝(chong) 在堅硬、透明藍寶石襯底中獨特的強非線性吸收，飛秒激光器也是從(cong) 藍寶石晶圓中分離出高亮度LED芯片的理想選擇。

玻 璃 加 工

一直以來，消費電子行業(ye) 切割和加工玻璃的主要方法都是機械方法。然而，使用飛秒脈衝(chong) 激光加工玻璃的應用正在興(xing) 起。通孔鑽孔是一個(ge) 例子，利用飛秒光束輻照玻璃，引起折射率變化。然後在酸浴中刻蝕玻璃，去除被輻照區域。這些零件用於(yu) 多芯片平台，產(chan) 生高密度和快速芯片連接結構，使得垂直集成IC成為(wei) 可能。

另一種應用是在玻璃上刻圖和去除薄膜，就像對導電氧化銦錫（ITO）薄膜、電致變色薄膜和其他薄膜所做的處理一樣。

玻璃焊接也是一個(ge) 感興(xing) 趣的話題，因為(wei) 它不使用粘合劑或填料。這一點對於(yu) 微電子封裝行業(ye) 非常重要，因為(wei) 它消除了內(nei) 部汙染和除氣的問題，並且省去了吸氣劑的使用（專(zhuan) 門添加的物質用於(yu) 吸收這些不需要的物質）。在這個(ge) 過程中，兩(liang) 個(ge) 玻璃零件光學接觸，並暴露於(yu) 飛秒激光束中：飛秒脈衝(chong) 的高峰值功率在玻璃中引起多光子吸收，局部熔化玻璃，以此將兩(liang) 個(ge) 零件焊接在一起，並產(chan) 生持久的氣密封（見圖2）。

圖2：從(cong) 頂部看到，兩(liang) 個(ge) 玻璃基板已經通過飛秒激光焊接，留下四條由光學條紋包圍的垂直焊接線；插圖所示為(wei) 其中一條線的特寫(xie) ，表明焊縫寬度為(wei) 100μm。

汽 車 行 業(ye)

飛秒脈衝(chong) 激光在製造業(ye) 的應用將持續發展和擴張。由於(yu) 汽車行業(ye) 需要高穩定性、高可靠性以及創新性，因此飛秒脈衝(chong) 激光備受汽車行業(ye) 的關(guan) 注。例如，目前飛秒激光器已經用於(yu) 發動機零件（包括活塞）的大批量處理（見圖3）。

圖3：一家主流汽車製造商生產(chan) 的飛秒激光紋理加工的活塞；表麵紋理應用於(yu) 裙邊區域，以減少摩擦，提升潤滑功能。

提高汽車燃油經濟性的努力，正在推動減輕車輛重量和提高運行效率方麵的工作。發動機由更輕的鋁合金製成，而表麵紋理和排線被應用於(yu) 移動部件，以減少摩擦同時提高耐久性。這些合金的使用，迫切需要減少磨損和延長使用壽命的工程解決(jue) 方案。與(yu) 其他技術相比，例如機械刻劃表麵、長脈衝(chong) 激光打標，或者表麵噴丸處理，飛秒激光交叉排線能夠有效地擴散相關(guan) 油膜，並且顯著改善油保留。

這種紋理通常應用於(yu) 活塞的裙部區域，經曆大部分接觸，結果表明在2000rpm的轉速時，可減少高達25%的摩擦。飛秒激光器的使用還避免了劃線區域毛刺的形成，從(cong) 而省去了對去毛刺工藝的需求，進一步提高了製造效率。

FCPA在從(cong) 醫療到汽車等各個(ge) 市場領域的商業(ye) 化，一直是可靠和創新產(chan) 品工程的驅動力。特定應用的可靠性、激光行業(ye) 測試標準和測試協議的發展相結合，使得飛秒激光在要求嚴(yan) 苛的應用中實現不間斷運行成為(wei) 可能。

參考文獻

1. D. Strickland and G. Mourou, Opt. Commun., 56, 3, 219 (Dec. 1, 1985).

2. See https://bit.ly/femtosecondref2.