眾所周知，皮秒脈沖激光器在廣泛的工業(yè)微加工應(yīng)用方面具有眾多優(yōu)勢。尤其值得一提的是，它幾乎沒有熱影響區(qū)，可以處理的材料范圍極其廣，甚至包括那些在可見光和近紅外光區(qū)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(jīng)營成本，也缺乏在許多生產(chǎn)環(huán)境中實際應(yīng)用的實踐參數(shù)。而現(xiàn)在新一代的工業(yè)皮秒激光器可以實現(xiàn)這一技術(shù)所具備的優(yōu)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(dāng)前可用的皮秒激光源的基本體系結(jié)構(gòu)以及在工業(yè)中的典型應(yīng)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。換句話說，微加工的目的就是獲得精細(xì)、干凈的切口，而且熱影響區(qū)(HAZ)最小。
用激光進行精密鉆孔、劃片或者切割有兩種基本機制。許多傳統(tǒng)應(yīng)用主要依賴于紅外和可見光調(diào)Q激光器，它們的脈寬在數(shù)十納秒范圍，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，它會迅速加熱目標(biāo)材料并最終使之汽化。
這種方法的優(yōu)點是它可以快速去除相對較多的目標(biāo)材料(特別是調(diào)Q激光器通常以數(shù)千赫茲的重復(fù)頻率運行)。而且，眾所周知的是納秒激光技術(shù)具有完善的技術(shù)基礎(chǔ)，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(wù)來說，在熱影響區(qū)的大小、頻繁產(chǎn)生的重鑄材料或者是表面涂層的分層開裂等方面仍然存在一些限制。
激光去除材料的第二種機制建立在光化學(xué)燒蝕(圖1)基礎(chǔ)上。在這種情況下，激光光子直接破壞目標(biāo)材料的結(jié)合鍵。這相對來說是一種“冷”加工過程，因而熱影響區(qū)很小。另外，整個加工過程很干凈，沒有重鑄材料，因而很少需要后期再加工。
紫外(UV)激光光子的高能量意味著在很多材料中它們可以驅(qū)動光化學(xué)燒蝕的發(fā)生。因此，紫外調(diào)Q激光器通過光化學(xué)燒蝕來去除材料。不過，可以實現(xiàn)完全的光化學(xué)燒蝕作用的另一個方法是使用皮秒量級或者是更短的脈沖。這些超短脈沖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(fā)材料中的電子并且直接破壞原子鍵(圖 2)。此外，由于脈寬比機械加工材料的熱擴散率短，殘余熱效應(yīng)帶來的大部分熱量都會被帶走，而來不及傳播開來，因而基本不會生成熱影響區(qū)。
除了加工過程中基本沒有熱影響區(qū)，超快加工的另一個主要優(yōu)點是它適用的材料范圍非常廣泛，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(xiàn)有的商業(yè)化激光器來處理。具體來說，即使這些材料在激光波長范圍通常是透射的，這一“波長不可知”技術(shù)也可以誘發(fā)非線性吸收。
目前市面上的皮秒激光器的范圍通常從紅外到紫外。一般來說，紫外皮秒激光器在高精度和最小熱影響區(qū)方面有著最佳的表現(xiàn)。這是因為它們基本都是光化學(xué)燒蝕，而且還可以聚焦到最小的光斑尺寸(通過衍射)。從另一方面來說，紅外和可見光皮秒激光器通常會提供更大的輸出功率，從而帶來更高的處理速度。
皮秒激光體系結(jié)構(gòu)
雖然目前市面上的工業(yè)超快激光器在形式和結(jié)構(gòu)上多種多樣，但是它們都有著同樣的基本配置。具體地說，通過被動鎖模振蕩來輸出10皮秒或者更短的脈沖，這個是驅(qū)動光化學(xué)燒蝕的必要條件。然而，大多數(shù)鎖模振蕩器產(chǎn)生的脈沖相對來說能量較低，重復(fù)頻率在數(shù)十兆赫。這一太高的重復(fù)頻率無法用現(xiàn)有的掃描技術(shù)來處理，所以用脈沖選擇器來提取這些脈沖中的一小部分，然后通過放大器來放大這些脈沖的能量，再進行最終的輸出。
大多數(shù)商業(yè)皮秒產(chǎn)品都基于以下體系結(jié)構(gòu)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(tài)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(yōu)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(yīng)限制了單位脈沖能量的最大值，這個數(shù)字是10μJ(在10皮秒脈沖時)。因此，獲得高平均功率的唯一方法就是提高重復(fù)頻率，而這一方法在光束傳導(dǎo)系統(tǒng)方面遇到了難題，因為大多數(shù)光束偏轉(zhuǎn)機制，例如振鏡掃描，都不夠快，以避免單個脈沖在工件表面重疊。例如，直徑為50μm的焦點光斑，脈沖重復(fù)頻率為1MHz，掃描速度需要達(dá)到50m/s才能避免脈沖重疊，這一速度很少能做到。結(jié)果是加工處理速度受到了限制。
為了實現(xiàn)大部分應(yīng)用所需要的更高的脈沖能量，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。由于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，脈沖被極大地放大，同時光束的性能和質(zhì)量被很好地保持下來。通過這種設(shè)計，Talisker激光器可以提供180μJ的脈沖能量(在1064nm和200kHz下)。
第三種方法是使用半導(dǎo)體泵浦固態(tài)振蕩器，這種方法可以產(chǎn)生更高的脈沖能量。然后是自由空間放大器，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公司后獲得的產(chǎn)品就是在Nd:YVO4種子源后加入了一個或多個放大器，使Lumera激光器的脈沖能量高達(dá)200μJ(在1064nm)。表1總結(jié)了靈活的模塊化體系結(jié)構(gòu)分別使用一級、兩級或三級放大器后可以獲得的最大平均功率。
這一產(chǎn)品使用了瞬態(tài)多級放大器，這是因為它在這種情況下具有多個優(yōu)勢。尤其是與再生放大器相比，瞬態(tài)放大器能提供更高的重復(fù)頻率，并且能更靈活地調(diào)整重復(fù)頻率(在這種情況下包括從單脈沖至2兆赫)。
瞬態(tài)放大器結(jié)構(gòu)的另一個極為重要的優(yōu)勢是，它支持“脈沖串模式”操作，即脈沖選擇器可以傳遞一串連續(xù)脈沖(通常可達(dá)10個)，而不只是單脈沖。這一整串脈沖可以在后續(xù)階段被放大。
這一模式的優(yōu)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，重復(fù)頻率為1MH時，當(dāng)一串5個脈沖通過放大器時，與單個脈沖相比，前者可以增加5～10倍燒蝕率。每種情況下產(chǎn)生的平均功率是類似的，而且實際上，脈沖串模式下的每脈沖能量較低(因為放大器增益被分配到幾個脈沖中)。然而，當(dāng)脈沖的間距較小時，燒蝕率并不線性地取決于脈沖能量。#p#分頁標(biāo)題#e#
燒蝕率的確切機制仍在研究中，但目前有一些新興的受到推崇的理論。它認(rèn)為，在脈沖之間只有20納秒左右間隔時，材料沒有時間放松，仍然會處于“預(yù)處理”狀態(tài)，這就使得脈沖串中隨后的脈沖可以實現(xiàn)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(shù)空間。事實證明它在那些有自由電子的材料上能發(fā)揮最大的作用，例如鋼、硬質(zhì)合金和硅等材料。而對于包括陶瓷和玻璃在內(nèi)的那些介質(zhì)材料，它的優(yōu)勢很小，甚至基本沒有。
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