1．引言

　　從(cong) 1960年第一台紅寶石激光器誕生至今，人們(men) 對激光技術的探索從(cong) 未曾止步。因其優(you) 越的特性越來越多的為(wei) 人們(men) 所知，更多的應用將被發掘出來，尤其是對高新技術比較敏感的工業(ye) 領域。可以說，就人類社會(hui) 發展的現階段，工業(ye) 需求是社會(hui) 發展的最強大的動力。激光應用於(yu) 工業(ye) 加工領域已經有20多年的曆史，激光在工業(ye) 領域的應用的深度和廣度都已經達到了前所未有的階段。

　　2．激光加工工業(ye) 的發展

　　在第一台激光器誕生之初，功率較低，係統整體(ti) 較大，實際上無法直接應用於(yu) 工業(ye) 加工領域。在這之後的幾十年裏，隨著激光技術的發展，新的激光介質的出現，激光技術瓶頸的突破，激光器無論從(cong) 深度上還是廣度上都有很大的進步。激光在工業(ye) 中的應用之多，數不勝數，如：激光印刷，刻錄，打標，雕刻，焊接，切割，毛化，調阻，熔敷等等，且潛力巨大。

　　從(cong) 上世紀80年代開始，從(cong) 深度上來看，激光加工工業(ye) 的發展主要經曆了三個(ge) 階段：

　　第一階段是納秒激光器應用階段。調Q技術獲得的納秒脈衝(chong) ，其峰值功率遠高於(yu) 平均功率，能夠實現連續激光器無法達到的高瞬時功率密度，從(cong) 而瞬間超過材料破壞閾值，實現刻蝕效果。

　　第二階段是本世紀伊始，SESAM（半導體(ti) 可飽和吸收鏡）使皮秒激光技術迅猛發展，並很快應用於(yu) 工業(ye) 中。皮秒激光器一直以來都是通過染料進行鎖模，但是染料需要循環，且經常容易漂白而影響鎖模的穩定性。SESAM不但能夠代替染料進行鎖模，而且能夠實現自啟動。在此背景下，迅速湧現出了眾(zhong) 多商業(ye) 化的工業(ye) 級皮秒激光器。

　　相較納秒激光，皮秒激光器以其更短的脈衝(chong) 寬度，更高的峰值功率，能夠實現更精細的加工效果。因此，一時間，精細加工成為(wei) 熱點話題。

　　然而，真正做到精細加工是在飛秒激光下實現的，這也是我們(men) 說的第三階段。我們(men) 首先來看激光與(yu) 固體(ti) 之間的相互作用機理：

　　（1）激光首先激發的是固體(ti) 的電子，在100飛秒的時間內(nei) 電子吸收光子的能量而躍遷到高能級；

　　（2）由於(yu) 電子相對於(yu) 晶格的溫度更高，因此其處於(yu) 非平衡態。為(wei) 了達到平衡，電子會(hui) 在1皮秒的時間內(nei) 將能量傳(chuan) 遞給晶格；

　　（3）在10皮秒的時間內(nei) ，這些能量將被逐步傳(chuan) 遞到材料內(nei) 部。

　　因此，對於(yu) 10皮秒左右的皮秒激光加工，材料有足夠的時間把熱量傳(chuan) 遞到其內(nei) 部，然後才發生刻蝕作用，因此熱效應實際上無法避免。而對於(yu) 飛秒激光而言，脈衝(chong) 作用時間已經實際小於(yu) 1皮秒，電子沒有足夠的時間將能量傳(chuan) 遞給晶格。從(cong) 而在材料表麵生成眾(zhong) 多等離子體(ti) ，能量伴隨著材料的去除而消散，因此出現強烈的刻蝕效果。也就是說，當激光脈寬遠遠小於(yu) 晶格的受熱時間時，燒蝕時間不依賴於(yu) 激光脈寬。

 從(cong) 上麵三個(ge) 階段，我們(men) 可以看到，激光加工的發展與(yu) 激光器的發展基本上是同步的，一個(ge) 新的技術突破，就可能迎來激光工業(ye) 應用的飛躍，當然，也會(hui) 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，那是否它就對精細加工就沒有意義(yi) ，或者說已經失去了存在的價(jia) 值和必要性？

　　當然不是。皮秒激光雖然無法實現精細的冷加工，但相對於(yu) 飛秒激光器，價(jia) 格較低，且結構相對簡單，功率較高。因此，對於(yu) 這樣一個(ge) 超短脈衝(chong) 技術的過度性產(chan) 品，如何充分利用就值得我們(men) 思考了。目前比較值得借鑒的方法是，將皮秒激光進行三倍頻，利用紫外光於(yu) 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鍵，從(cong) 而減小加工的熱效應，實現“冷”加工。目前，該係統對於(yu) 透明性材料加工有其較大的優(you) 勢。此類激光器很多，例如Photonics industry公司的15ps的355nm激光器。

　　第二，飛秒激光器能夠實現非熱刻蝕，那是不是脈衝(chong) 寬度越短，加工越精細呢？實際上，刻蝕效果與(yu) 六個(ge) 主要因素有關(guan) ：平均功率，脈寬，波長，譜寬，單脈衝(chong) 能量，頻率。

　　一般來說，脈衝(chong) 寬度越短，就很難獲得高平均功率，因此，從(cong) 這方麵來說，短脈衝(chong) 是以犧牲平均功率為(wei) 代價(jia) 的。

　　另外，脈衝(chong) 寬度越窄，譜寬就會(hui) 越大，因此，色差也會(hui) 影響加工效果。

　　其次是波長的影響，對於(yu) 一般材料而言，波長對刻蝕效果影響不大，隻有在對透明材料（如SiO2）進行加工的時候才考慮，而且應該考慮波長的問題。如前麵所說，透明材料對紫外光有強烈的吸收，而對於(yu) 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來加工。對於(yu) 幾十飛秒的激光器而言，光譜寬度達到20nm，甚至是50nm，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(hui) 影響加工速度。一般來說是越高越好，但是通常隻有振蕩器才是80MHz左右，而振蕩器的單脈衝(chong) 能量太低，因此需要放大，放大器的頻率一般從(cong) 1KHz到幾百KHz不等。

　　因此，對於(yu) 超快激光加工，不能盲目追求超短脈衝(chong) ，必須看實際的需求。而且脈衝(chong) 極短而高功率的飛秒激光器，價(jia) 格不菲。就目前的精細加工需求而言，百飛秒級，幾百KHz頻率的激光器應該是足夠應對通常的精細加工需求，例如JENOPTIK公司的D2.fs工業(ye) 級激光器（4W，400fs，300KHz，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，這是一個(ge) 亮點。指標，價(jia) 格，穩定性，綜合性價(jia) 比來看，該激光器是非常不錯的。

　　近兩(liang) 年，飛秒激光技術得到了飛速提高，我國經濟也穩步發展，國外更多的先進產(chan) 品湧進來。例如KMlabs的12fs振蕩器和峰值功率TW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．激光精細加工

　　對於(yu) 一套激光精細加工係統，除了激光器外，整個(ge) 係統平台的搭建，軟件控製也是一個(ge) 重要的問題。任何一個(ge) 方麵的缺憾，都足以影響整個(ge) 係統的性能。

　　軟件方麵，普通的標刻軟件已經無法滿足需求，在納秒脈衝(chong) 打標下無須考慮的很多問題，如何克服首脈衝(chong) ，拐角漏點等擺在我們(men) 麵前。

　　硬件方麵，由於(yu) 目前最好的振鏡的定位精度也隻能達到十微米級別，很難勝任更精細的加工，因此，通常選用速度較慢而精度極高的位移平台來組建係統，高精度位移平台能夠實現納米級的精確控製。同時，還要考慮光路係統和聚焦係統的設計問題，矯正像差和色差以實現更小的聚焦#p#分頁標題#e#光斑。

　　除此之外，為(wei) 滿足不同加工需求，還要考慮夾具，工藝等多方麵的問題。例如，心血管支架的加工因為(wei) 是柱麵刻蝕，所以對軟件和夾具有不同於(yu) 平麵加工的要求，而且難度更大。

激光加工的心血管支架

　　再如調節焦距，使得焦斑的中心強度剛好達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(jin) 限於(yu) 焦點中心位置處的很小一部分體(ti) 積內(nei) ，而不是整個(ge) 聚焦光斑輻照的區域。這樣，可以實現比聚焦光斑小得多的加工尺寸。

　　4．結語

　　隨著我國經濟和工業(ye) 需求的發展，精細加工已經成了激光加工領域的熱點，目前，中國的精細加工還處在萌芽階段，因此，具有兩(liang) 方麵的內(nei) 涵：

　　第一、萌芽階段意味著不成熟，目前在國內(nei) 尚沒有成熟的商品化飛秒精細加工係統，需要我們(men) 更多的探索，或許在探索中會(hui) 走彎路，會(hui) 付出一定的代價(jia) ，但這對於(yu) 未來可能獲得的回報而言，是值得的。為(wei) 了避免盡量少的走彎路，減少不必要的損失，應該更多的注意方法，更全麵的考慮問題。精細加工問題，不僅(jin) 僅(jin) 是激光器的問題，而是係統全麵優(you) 化以實現更高精度要求的問題，刻蝕效果是我們(men) 追求的最終目標。國外已經有比較成熟的產(chan) 品，而國內(nei) 還沒有，彼此的差別並不僅(jin) 僅(jin) 是激光器，還有工藝問題。工藝研究是一門複雜的科學，一個(ge) 複雜的係統，需要一個(ge) 團隊的不懈努力，例如軟件參數的設置和工藝效果的嚐試。盡管激光器是關(guan) 鍵部件，但隻把眼界局限在激光器上，而忽略了整體(ti) 係統的集成和優(you) 化是我們(men) 的致命傷(shang) 。

　　第二、而對起步階段的中國精細加工領域來說，正因為(wei) 沒有成熟的飛秒精細加工係統，因此市場潛力巨大，誰將會(hui) 是第一個(ge) 吃到螃蟹的人呢？