飛秒激光與其他激光加工有什么不同？從原理上進行分析和闡述

在這里，我們指的飛秒激光是指脈寬為1-1000 fs（1 fs=10-15s）的激光，其他激光是指脈寬大于1000 fs（1 ps）的脈沖激光或連續(xù)激光。

激光加工過程中需要考慮激光的波長、能量（或功率）、脈寬、頻譜、脈沖頻率、偏振、相位等因素，同時還要考慮聚焦系統(tǒng)以及掃描速度和方向，被加工對象物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)，甚至是物質(zhì)所處的環(huán)境條件如溫度和氣氛。

脈寬是其中一個非常重要的具有普遍影響的激光參數(shù)。飛秒激光也主要是指現(xiàn)在用得最多的鈦寶石以及Yb3+摻雜晶體和光纖激光器為主，波長在1 μm附近的近紅外的飛秒激光。

飛秒激光系統(tǒng)昂貴

飛秒激光現(xiàn)在已開始用于切割、鉆孔、焊接、打標、剝離、修復(fù)等加工領(lǐng)域。但目前實際應(yīng)用較少，原因是飛秒激光的價格比長脈沖激光和連續(xù)激光要貴很多。

飛秒激光貴的原因主要有：

1）根據(jù)傅里葉變化關(guān)系，要產(chǎn)生超短飛秒脈沖必須具有寬光譜的增益介質(zhì)，增益介質(zhì)的帶寬決定了最終能實現(xiàn)的脈寬。

2）飛秒激光脈沖一般需要通過鎖膜技術(shù)來實現(xiàn)，激光系統(tǒng)比較復(fù)雜。

飛秒激光特性很好

飛秒加工有不少優(yōu)勢，首先體現(xiàn)在精度高。

飛秒激光由于其脈寬很短，較低的脈沖能量就可以獲得極高的峰值功率（脈沖能量/脈寬），當(dāng)用物鏡等進一步聚焦到材料時，由于焦點附近能量密度很高，能引起各種強烈的非線性效應(yīng)。

激光加工可以認為是一種激光誘導(dǎo)反應(yīng)，原理上分為誘導(dǎo)分子振動和電子激發(fā)。前者是熱反應(yīng)，后者與構(gòu)成物質(zhì)的原子外殼層電子關(guān)聯(lián)的化學(xué)鍵相作用。近紅外飛秒激光加工通過多光子過程，實現(xiàn)有空間選擇性的微觀結(jié)構(gòu)操控，而不影響表面結(jié)構(gòu)，這是飛秒激光加工的另外一個優(yōu)勢。

一般情況下，在激光輻照下，電子吸收光子被激發(fā)的時間在fs范圍（脈沖作用過程中），隨后發(fā)生電子-聲子耦合，能量傳遞至晶格與晶格達到熱平衡的時間在幾個到幾十ps量級。熱擴散、材料熔融的時間尺度隨著材料的不同而有所區(qū)別，基本在幾十到幾百ps的時間量級。材料表面燒蝕形成的時間為幾百ps到ns不等。

在納秒及皮秒激光作用下，電子氣中沉積的激光能量在激光脈沖照射材料的時間內(nèi)就傳給晶格，從而引起材料的加熱、熔化甚至燒蝕，過程中熱效應(yīng)的作用明顯。正是由于飛秒激光的高精度和“冷加工”特性，它可以廣泛應(yīng)用于微電子、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，也應(yīng)用于醫(yī)療，如近視眼矯正、腦科手術(shù)等。

不同脈寬激光在100 μm厚的不銹鋼薄片上打孔的效果

飛秒激光作用于金屬時，由于飛秒激光的脈沖寬度小于電子-聲子相互作用的時間尺度，電子吸收的激光能量來不及傳給離子就結(jié)束了。所以電子的溫度很高而離子的溫度還很低，飛秒激光燒蝕金屬是一個非平衡燒蝕。雙溫模型和改進的雙溫模型表明晶格的溫度變化跟晶格熱傳導(dǎo)和電子-晶格耦合有關(guān)。在高強度（≥1014W/cm2） 飛秒激光的作用下，材料的電離完成于脈沖作用時間（~100 fs）結(jié)束前，此時金屬和介質(zhì)的燒蝕機理是一樣的。

飛秒激光是冷加工，其實是一個誤解

飛秒激光加工還與激光脈沖頻率有關(guān)。當(dāng)將眾多的飛秒激光脈沖串起來準連續(xù)的脈沖陣列也就是脈沖頻率很高時，飛秒激光加工的剩余熱會產(chǎn)生熱累積效應(yīng)?？刂浦貜?fù)頻率則有望實現(xiàn)兼具飛秒激光和長脈沖或連續(xù)激光特征的多光子吸收和熱效應(yīng)共存的三維結(jié)構(gòu)制備，進一步拓展形成微納結(jié)構(gòu)的種類與材料的功能。

飛秒激光在碲酸鹽玻璃樣品中誘導(dǎo)的熱影響區(qū)域

上圖是250 fs, 800 nm, 500 kHz飛秒激光在碲酸鹽玻璃樣品中誘導(dǎo)的熱影響區(qū)域的光學(xué)照片。誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的熱效應(yīng)，結(jié)構(gòu)隨照射時間明顯增大。

飛秒激光與材料相互作用過程中，光子加熱電子（<1ps）和電子—聲子耦合的時間尺度（ps）遠小于熱擴散的時間尺度（>0.1ns），這樣激光加工的剩余熱會產(chǎn)生一個熱場。對于低重復(fù)頻率飛秒激光，由于脈沖之間的間隔時間較長，在下一個脈沖到達材料的時候，激光聚焦區(qū)域的溫度已經(jīng)下降到環(huán)境溫度。而對于高重復(fù)頻率飛秒激光，由于其脈沖之間的間隔時間較短，當(dāng)這個時間短于激光照射產(chǎn)生的熱場擴散所需的時間的時候，下一個脈沖到達樣品時，前一個脈沖產(chǎn)生的熱場還沒有完全消散，就會導(dǎo)致熱量的累積作用。而隨著照射時間的延長，激光脈沖數(shù)量的增加，激光聚焦區(qū)域的溫度會逐漸升高，直至到達動態(tài)平衡。高重復(fù)頻率飛秒激光照射過程中產(chǎn)生的熱場雖然會增大激光誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)的尺寸，但它對某些微納結(jié)構(gòu)的形成也是至關(guān)重要的。