如今，超快激光器（飛秒和皮秒脈寬）是工業(yè)生產過程中的一個重要組成部分。憑借其高質量的非熱材料加工能力，再加上在激光技術、工藝開發(fā)、光束控制和傳輸?shù)确矫娴倪M步，從而進一步擴大了超快激光器在工業(yè)市場上的應用范圍。不過，為了維持投入和產出的平衡，必須同時滿足以下條件：首先必需證明其在工業(yè)加工過程中的技術可行性，由于超快激光和物質之間的相互作用具有獨特性，因而需要對這一過程有一個精細的科學的理解；其次，工業(yè)生產的生產率必須確保能給終端用戶帶來與其投資相匹配的收益，這勢必推動在光束控制和傳輸方面的進步，以充分利用潛在的加工速度。
消費電子產品領域顯然提供了最多的證據(jù)。手機、微處理器、顯示器、內存芯片都是極其復雜的組件，由大量的不同材料、尺寸很小、厚度極小的多層材料組成。因而需要先進的、高精密度的加工能力，以及在經(jīng)濟上可行的大批量生產的能力。下面舉例說明為什么我們需要同步發(fā)展加工、激光技術以及新的光束傳輸技術，來滿足目前以及未來可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。
制造手機、平板電腦或電視用的平板顯示器是如今最復雜的技術之一，困難程度類似或更甚于二十世紀六十年代的阿波羅計劃。不同的生產步驟涉及了大量不同的材料，它們具有微米級的橫向分辨率和數(shù)十納米的厚度。由于整個過程都很有難度，將工業(yè)生產率（能通過嚴格的質量檢測的產品比例）視為一項機密和挑戰(zhàn)也就不足為奇了。一個關鍵的限制是壞點在面板上的存在，這將阻礙屏幕的商業(yè)化。在過去幾年中開發(fā)了幾種不同的修復工藝，通常都涉及多波長納秒激光器。例如，通過激光碳化或者切割控制像素的薄膜晶體管的電極，來修復一個亮的像素（圖1）。
圖1：薄膜晶體管電極切割，切割寬度為1.9μm。（圖片由韓國金屬和機械研究所提供）
當前的技術已經(jīng)達到極限。因為在高清屏幕的分辨率方面的進步，像素的尺寸變得越來越小，與之相關的納秒激光器加工的熱效應限制了修復的質量。此外，包括有機發(fā)光二極管（OLED）和有源矩陣發(fā)光二極管（AMOLED）在內的新的顯示技術廣泛使用了有機和高分子材料，這些材料對加熱高度敏感，因而與熱處理格格不入。由于脈沖持續(xù)時間非常短，所以超快激光實際上很適合非熱微加工，也不會產生熱。它們在先進的屏幕修復加工領域的應用日益擴大，從而推動了新一代緊湊的高速多波長超快激光器的發(fā)展。
一些工業(yè)加工過程已經(jīng)開始利用高精度的超快激光加工。這包括選擇性燒蝕（通常可以實現(xiàn)精確到30nm/脈沖的燒蝕率），以及高精度薄膜晶體管電極切割，切割寬度小于2μm。這些加工過程需要開發(fā)先進靈活的光束整形技術，以獲得平頂光束并確保其均勻傳輸，并能塑形成樣品的形狀，尺寸低至2×2μm。
在另外一個例子中，半導體電路變得越來越復雜，它們要求在更小的尺寸上集成更多的功能。因此，現(xiàn)在的晶片是由許多層的多種材料組成，例如適用于快速運行的低介電常數(shù)材料。半導體制造業(yè)中的一個重要的過程就是晶圓的劃切和分離，即將一個晶圓切割成單獨的晶片（如圖2）。傳統(tǒng)上來說是用金剛石鋸的加工方法，但是目前的技術已經(jīng)達到了極限。由于低介電常數(shù)材料的脆性、較低的厚度和較多的層數(shù)，發(fā)生裂紋和分層剝離等負面影響的幾率不斷升高。
圖2：半導體晶圓切割和劃片。（本圖片由Amplitude Systemes提供）
盡管紫外納秒激光加工的使用獲得推動，但是納秒激光加工帶來的熱效應仍然大大限制了加工結果的質量。另一方面，超快激光展示出在加工硅和高質量多層材料方面的能力。直到最近，超快激光在平均功率方面的限制仍然是一個主要的問題，這嚴重限制了總的生產效率。如今具備高可靠性的工業(yè)級飛秒激光器的功率在50-100W之間，這使其生產能力可以與工業(yè)要求相匹配。
超快激光是先進的微加工過程的一個重要組成部分，它們在質量控制和測量方面起著重要作用。RudolphTechnologies（www.rudolphtech.com）公司最近為半導體行業(yè)推出了一款測量不透明薄膜厚度的新型工具。該系統(tǒng)基于聲波測量，使用了一種非常短的激光產生的超短脈沖。這種超聲脈沖在各層表面反射的時間是通過高精度的泵浦-探測技術來測量的。
在另外一個例子中，法國CAMECA（www.cameca.com）公司可以實現(xiàn)半導體和金屬樣品的原子級分辨率的3D成像和分析表征。這個驚人的測量過程是基于原子探針層析技術，即使用超快激光器來照射樣品的納米半徑尖端（如圖3所示）。如果能精細地控制激光的功率，那么就不會出現(xiàn)激光燒蝕，而是發(fā)生適度的原子蒸發(fā)，然后每個原子被送到位置傳感探測器，從而確定該原子來自哪一個位置。同時，利用飛行時間質譜儀來測量原子的質量，從而確定該尖端的組成成分。然后，逐層進行三維重建。該方法在半導體行業(yè)用于監(jiān)控半導體材料的成分和雜質，以及在冶金材料中用于精細控制冶金合金的質量。
圖3：原子探針層析的原理。（本圖由CAMECA提供）
高功率、高可靠性激光系統(tǒng)的出現(xiàn)使得激光加工以及質量控制大幅提升。更具體地說，平均功率在50到200W的超快激光器能夠提高生產效率和生產力，從而擴大其在新領域的應用。然而，如此高功率激光的光束控制和傳輸卻并不容易。要想保本盈利，則需要加工速度達到100m/s，同時保持微米級的定位精度。當前一代的振鏡掃描器已經(jīng)達到了極限，亟待新方法的產生。
ESI（www.esi.com）公司推出了一個結合振鏡和聲光技術的混合加工系統(tǒng)。當在一個較高的加工速度下操作時，掃描振鏡的慣性意味著執(zhí)行的滯后，例如一個急轉彎，所以加工出來的結構不會和設計的形狀相同。然而，聲光調制器表現(xiàn)出極靈敏的反應性，不過是在非常小的范圍。將振鏡運動和聲光偏轉結合起來，能夠精確同步，從而克服這一局限性。這種技術在互聯(lián)數(shù)字電路的圖形制造中尤其有用，這是因為它們變得越來越集成，因而需要增加布線密度。
日本DISCO（www.disco.co.jp）公司的研究員用相同激光器同時進行微加工和過程控制，從而將兩者結合起來。
在該案例中，用超快激光器在一個雙層基板上進行激光盲孔鉆孔，上層是80μm厚的透明材料，下層是20μm厚的金屬薄膜。為了精確地控制激光脈沖的數(shù)量，以使得燒蝕的范圍僅限于透明基板，需要利用光譜分析儀來監(jiān)測等離子體發(fā)射，即利用激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術。
圖4：Kagome光纖的纖芯形狀。（圖片由CNRS/Glo Photonics提供)
因為根據(jù)燒蝕的原子種類，等離子體發(fā)射具有獨特的發(fā)射光譜，因而可以及時并精確地監(jiān)測到透明層何時完全燒蝕。另外一種方法是，多邊形掃描儀可以實現(xiàn)超過100m/s的掃描速度。這種單一的多面鏡能進行高速旋轉，完全能取代只能在x和y軸方向反射光束的低慣性振鏡。如果脈沖激光與多面鏡的旋轉能精確同步，那么每個面上只有一個點可能會影響到樣品的加工。在這種情況下，這種微加工過程更類似一種數(shù)字化過程，也就是說，需要控制激光器的開啟和關閉來生產需要的圖形。為了獲得理想的結果，需要在激光器與掃描儀之間實現(xiàn)非常精確的同步，并且多面鏡的制作精度要非常高，加工過程也需要精心設計。瑞士Bern University ofApplied Sciences大學（www.bfh.ch）的Beat Neuenschwander教授與AmplitudeSystèmes和比利時的NextScan（www.nextscantechnology.com）公司合作，利用500 kHz的超快激光器實現(xiàn)了微米級定位精度的高速表面微造型。
更多的關于光束傳輸?shù)膭?chuàng)新仍在孕育之中。光纖傳輸系統(tǒng)讓激光加工行業(yè)煥然一新，而工業(yè)級超快激光器直到最近還仍然不能受益于此。由于小的光纖纖芯的光束限制，再加上超快脈沖具有非常高的峰值強度，因而會產生嚴重的非線性效應，并最終導致光纖降解。為了擺脫這種限制，人們開發(fā)出空心的微結構光纖，不過纖芯直徑限制在幾個微米，這對于實際應用來說太小了。空心大模場面積Kagome微結構光纖的開發(fā)為高能量高功率飛秒激光光束的光纖傳輸鋪平了道路。這種特別的圓內旋輪線形狀的空心光纖纖芯限制了激光模式，防止它與光纖微結構相互作用，并將低的非線性、大模場面積和靈活的分散控制結合起來。通過與法國Glo Photonics（www.glophotonics.fr）公司合作，Amplitude Systèmes公司已經(jīng)可以將毫焦耳量級的脈沖傳輸幾米遠的距離，同時還能保證脈沖持續(xù)時間低于500fs。在另一個與Photonics Tools（www.photonicstools.de）公司合作進行的實驗中，已經(jīng)可以傳輸平均功率為100W的脈沖激光，并且可以實現(xiàn)低于100fs的脈沖壓縮。其他團隊和激光制造商也迅速利用Kagome光纖開發(fā)出靈活的傳輸系統(tǒng)（如圖4），我們可以期待超快激光加工技術在今后幾年迎來更深入的變革。
隨著對短脈沖激光與物質相互作用的原理的進一步深入，以及在光束控制和傳輸系統(tǒng)方面的技術發(fā)展，超快激光器已經(jīng)走入我們的日常生活。通過深入最先進的工業(yè)加工過程，它改變著我們看待事物、交流溝通和工作的方式，它將是未來成功制造更復雜的消費電子設備的關鍵所在。
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