用超短脈衝(chong) 激光實現冷消融、冷切割和冷鑽孔，是二十多年來人們(men) 一直期望能夠在工業(ye) 應用中實現的一個(ge) 願景。在過去十年間進行的一些早期實驗中，人們(men) 用鈦藍寶石放大器產(chan) 生超快激光，這些實驗已經證明了超短激光脈衝(chong) 在精密機械加工領域所擁有的巨大潛能。但是對於(yu) 精密機械加工而言，到底多短的脈衝(chong) 才能滿足精密加工的要求呢？當激光脈衝(chong) 作用到材料上時會(hui) 發生怎樣的反應？對脈衝(chong) 與(yu) 材料的作用時間範圍有何要求？

　　作用原理、作用時間、能量密度

　　以金屬對激光脈衝(chong) 的吸收為(wei) 例，其從(cong) 根本上說是能量從(cong) 激光脈衝(chong) 轉移到金屬材料的電子的一個(ge) 能量轉移過程。對於(yu) 持續時間為(wei) 納秒級的脈衝(chong) 而言，電子與(yu) 所處晶格之間會(hui) 發生一個(ge) 溫度平衡過程，並且最終開始融化材料，直到部分蒸發。

　　在這個(ge) 過程中，脈衝(chong) 越短，能量轉移到電子的速度越快。在理想條件下，如果脈衝(chong) 足夠短，那麽(me) 在電子與(yu) 晶格之間便沒有足夠的時間產(chan) 生溫度平衡。接下來，“熱電子”（相對於(yu) 冷晶格而言）有兩(liang) 種方式與(yu) 晶格作用：在一個(ge) 特征時間後，來自電子的熱量開始向周圍的晶格擴散。這種電子-聲子弛豫時間是物質的一種屬性，其典型值為(wei) 1~10ps。在大致相同的時間範圍內(nei) ，但稍有些延遲，熱電子和晶格之間發生了突然的能量轉移，從(cong) 而導致相位爆炸，即激活體(ti) 的蒸發。

　　從(cong) 上述解釋可以得出以下兩(liang) 個(ge) 基本結論：

　　1、激光脈衝(chong) 的持續時間必須足夠短，以防止電子與(yu) 晶格之間發生溫度平衡過程。對於(yu) 金屬和大多數其他材料而言，均要求脈衝(chong) 持續時間在1~10ps之間甚至更短。

　　2、由於(yu) 在熱擴散和消融之間有一個(ge) 時間延遲，因此始終會(hui) 存有殘餘(yu) 熱量，即使是在脈衝(chong) 最短的情況下。

　　因此，冷加工必須定義(yi) 為(wei) 在最小的熱擴散情況下進行加工，這要求脈衝(chong) 持續時間在1~10ps之間甚至更短。

　　雖然皮秒/飛秒激光脈衝(chong) 較短的持續時間是冷加工的一個(ge) 必要條件，但是光有足夠短的脈衝(chong) 還遠遠不夠。如果熱電子因為(wei) 過高的激光能量密度而被“過度加熱”，那麽(me) 熱擴散效應將較為(wei) 明顯，整個(ge) 加工過程則會(hui) 轉變為(wei) 熱過程。一般來講，大約1J/cm2的能量密度，是用皮秒/飛秒激光脈衝(chong) 進行消融加工、而不會(hui) 產(chan) 生能夠測量得到的熱效應的最佳能量臨(lin) 界點，即此時具有最佳的低熱穿透深度。

　　線性吸收與(yu) 非線性吸收

　　然而要實現最佳能量臨(lin) 界點並非易事。除了上述提到的決(jue) 定熱影響的因素外，光學穿透深度決(jue) 定了激光脈衝(chong) 的哪個(ge) 部分在什麽(me) 深度被吸收。

　　對於(yu) 溫和消融而言，光穿透深度應該在1μm的區域甚至更淺，這主要有三個(ge) 原因：

　　1、光穿透深度決(jue) 定消融深度。深度太大的消融將不再被視為(wei) 溫和消融，因為(wei) 其將導致粗糙的表麵和邊緣，特別是對於(yu) 硬而脆的材料而言，還會(hui) 有微裂紋產(chan) 生。

　　2、若光穿透深度過大，消融過程將變得效率低下，因為(wei) 大多數激光脈衝(chong) 可能不能被吸收，能量浪費較大。

　　3、針對基底的選擇性消融材料（如薄膜太陽能電池的絕緣體(ti) 上的薄膜刻圖），光的穿透深度過大可能造成基底材料的損害。