眾(zhong) 所周知，皮秒脈衝(chong) 激光器在廣泛的工業(ye) 微加工應用方麵具有眾(zhong) 多優(you) 勢。尤其值得一提的是，它幾乎沒有熱影響區，可以處理的材料範圍極其廣，甚至包括那些在可見光和近紅外光區透明的材料。不過，在早期的時候，皮秒激光器尚不具備必要的信賴度、低經營成本，也缺乏在許多生產(chan) 環境中實際應用的實踐參數。而現在新一代的工業(ye) 皮秒激光器可以實現這一技術所具備的優(you) 勢特點。本文探討了納秒和皮秒激光加工之間的主要差異，介紹了當前可用的皮秒激光源的基本體(ti) 係結構以及在工業(ye) 中的典型應用。 

    皮秒 Vs 納秒 

    微加工通常針對的是微米級別的加工需求，如孔和槽,同時還要避免對周邊材料造成熱損傷(shang) 。換句話說，微加工的目的就是獲得精細、幹淨的切口，而且熱影響區（HAZ）最小。 

    用激光進行精密鑽孔、劃片或者切割有兩(liang) 種基本機製。許多傳(chuan) 統應用主要依賴於(yu) 紅外和可見光調Q激光器，它們(men) 的脈寬在數十納秒範圍，通過光熱作用來移除材料（見圖1）。在這種情況下，聚焦的激光光束是密閉的、強度高的熱源，它會(hui) 迅速加熱目標材料並最終使之汽化。

    這種方法的優(you) 點是它可以快速去除相對較多的目標材料（特別是調Q激光器通常以數千赫茲(zi) 的重複頻率運行）。而且，眾(zhong) 所周知的是納秒激光技術具有完善的技術基礎，來源高度可靠，運營成本也很有吸引力。不過，對那些要求最苛刻的加工任務來說，在熱影響區的大小、頻繁產(chan) 生的重鑄材料或者是表麵塗層的分層開裂等方麵仍然存在一些限製。 

    激光去除材料的第二種機製建立在光化學燒蝕（圖1）基礎上。在這種情況下，激光光子直接破壞目標材料的結合鍵。這相對來說是一種“冷”加工過程，因而熱影響區很小。另外，整個(ge) 加工過程很幹淨，沒有重鑄材料，因而很少需要後期再加工。 

    紫外(UV)激光光子的高能量意味著在很多材料中它們(men) 可以驅動光化學燒蝕的發生。因此，紫外調Q激光器通過光化學燒蝕來去除材料。不過，可以實現完全的光化學燒蝕作用的另一個(ge) 方法是使用皮秒量級或者是更短的脈衝(chong) 。這些超短脈衝(chong) 具有非常高的瞬時峰值功率（兆瓦及以上），其高能量密度使其可以通過多光子吸收來激發材料中的電子並且直接破壞原子鍵（圖 2）。此外，由於(yu) 脈寬比機械加工材料的熱擴散率短，殘餘(yu) 熱效應帶來的大部分熱量都會(hui) 被帶走，而來不及傳(chuan) 播開來，因而基本不會(hui) 生成熱影響區。

    除了加工過程中基本沒有熱影響區，超快加工的另一個(ge) 主要優(you) 點是它適用的材料範圍非常廣泛，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，因此很難用現有的商業(ye) 化激光器來處理。具體(ti) 來說，即使這些材料在激光波長範圍通常是透射的，這一“波長不可知”技術也可以誘發非線性吸收。 

   目前市麵上的皮秒激光器的範圍通常從(cong) 紅外到紫外。一般來說，紫外皮秒激光器在高精度和最小熱影響區方麵有著最佳的表現。這是因為(wei) 它們(men) 基本都是光化學燒蝕，而且還可以聚焦到最小的光斑尺寸（通過衍射）。從(cong) 另一方麵來說，紅外和可見光皮秒激光器通常會(hui) 提供更大的輸出功率，從(cong) 而帶來更高的處理速度。 

    皮秒激光體(ti) 係結構 

    雖然目前市麵上的工業(ye) 超快激光器在形式和結構上多種多樣，但是它們(men) 都有著同樣的基本配置。具體(ti) 地說，通過被動鎖模振蕩來輸出10皮秒或者更短的脈衝(chong) ，這個(ge) 是驅動光化學燒蝕的必要條件。然而，大多數鎖模振蕩器產(chan) 生的脈衝(chong) 相對來說能量較低，重複頻率在數十兆赫。這一太高的重複頻率無法用現有的掃描技術來處理，所以用脈衝(chong) 選擇器來提取這些脈衝(chong) 中的一小部分，然後通過放大器來放大這些脈衝(chong) 的能量，再進行最終的輸出。 

    大多數商業(ye) 皮秒產(chan) 品都基於(yu) 以下體(ti) 係結構之一： 

    • 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(you) 勢是成本相對較低。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限製了單位脈衝(chong) 能量的最大值，這個(ge) 數字是10μJ（在10皮秒脈衝(chong) 時）。因此，獲得高平均功率的唯一方法就是提高重複頻率，而這一方法在光束傳(chuan) 導係統方麵遇到了難題，因為(wei) 大多數光束偏轉機製，例如振鏡掃描，都不夠快，以避免單個(ge) 脈衝(chong) 在工件表麵重疊。例如，直徑為(wei) 50μm的焦點光斑，脈衝(chong) 重複頻率為(wei) 1MHz，掃描速度需要達到50m/s才能避免脈衝(chong) 重疊，這一速度很少能做到。結果是加工處理速度受到了限製。 

    為(wei) 了實現大部分應用所需要的更高的脈衝(chong) 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。由於(yu) 種子源的輸出能量相對較低，所以需要使用再生放大器。在再生放大器中，脈衝(chong) 被極大地放大，同時光束的性能和質量被很好地保持下來。通過這種設計，Talisker激光器可以提供180μJ的脈衝(chong) 能量（在1064nm和200kHz下）。

    第三種方法是使用半導體(ti) 泵浦固態振蕩器，這種方法可以產(chan) 生更高的脈衝(chong) 能量。然後是自由空間放大器，通常是再生放大器或多級放大器。事實上，可以使用多個(ge) 放大器階段來把功率提升到更高水平。例如，Coherent公司2012年收購Lumera Laser公司後獲得的產(chan) 品就是在Nd:YVO4種子源後加入了一個(ge) 或多個(ge) 放大器，使Lumera激光器的脈衝(chong) 能量高達200μJ(在1064nm)。表1總結了靈活的模塊化體(ti) 係結構分別使用一級、兩(liang) 級或三級放大器後可以獲得的最大平均功率。 

    這一產(chan) 品使用了瞬態多級放大器，這是因為(wei) 它在這種情況下具有多個(ge) 優(you) 勢。尤其是與(yu) 再生放大器相比，瞬態放大器能提供更高的重複頻率，並且能更靈活地調整重複頻率(在這種情況下包括從(cong) 單脈衝(chong) 至2兆赫）。 

    瞬態放大器結構的另一個(ge) 極為(wei) 重要的優(you) 勢是，它支持“脈衝(chong) 串模式”操作，即脈衝(chong) 選擇器可以傳(chuan) 遞一串連續脈衝(chong) (通常可達10個(ge) ），而不隻是單脈衝(chong) 。這一整串脈衝(chong) 可以在後續階段被放大。 

    這一模式的優(you) 點是，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（每單位時間去除材料的量）。例如，實驗表明，重複頻率為(wei) 1MH時，當一串5個(ge) 脈衝(chong) 通過放大器時，與(yu) 單個(ge) 脈衝(chong) 相比，前者可以增加5～10倍燒蝕率。每種情況下產(chan) 生的平均功率是類似的，而且實際上，脈衝(chong) 串模式下的每脈衝(chong) 能量較低（因為(wei) 放大器增益被分配到幾個(ge) 脈衝(chong) 中)。然而，當脈衝(chong) 的間距較小時，燒蝕率並不線性地取決(jue) 於(yu) 脈衝(chong) 能量。 

    燒蝕率的確切機製仍在研究中，但目前有一些新興(xing) 的受到推崇的理論。它認為(wei) ，在脈衝(chong) 之間隻有20納秒左右間隔時，材料沒有時間放鬆，仍然會(hui) 處於(yu) “預處理”狀態，這就使得脈衝(chong) 串中隨後的脈衝(chong) 可以實現更大的材料去除，盡管能量較低。 

    該模式可以極大地開辟超快微加工的參數空間。事實證明它在那些有自由電子的材料上能發揮最大的作用，例如鋼、硬質合金和矽等材料。而對於(yu) 包括陶瓷和玻璃在內(nei) 的那些介質材料，它的優(you) 勢很小，甚至基本沒有。