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發布時間：2019-09-18 來源：元祿光電
在國內外學術會議上做飛秒激光加工方面的報告后，我經常會被問到：飛秒激光與其它激光加工有什么不同？那么什么是飛秒激光加工設備呢？
這是一個受普遍關注卻不是只言片語就能回答的問題，就像貌似簡單的玻璃為什么是透明的問題一樣。我們需要根據理論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，其它激光是指脈寬大于1000 fs（1 ps）的脈沖激光或連續激光。
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以及掃描速度和方向，被加工對象物質的組成、結構和形態，甚至是物質所處的環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。為簡單起見，下面的討論假設其它條件基本相近（其實這個條件很難成立），只是脈寬不同的情形。飛秒激光也主要是指現在用得最多的鈦寶石以及Yb3+摻雜晶體和光纖天莊國際登錄為主，波長在1 μm附近的近紅外的飛秒激光。
飛秒激光系統很貴
飛秒激光現在已開始用于切割、鉆孔、焊接、打標、剝離、修復等加工領域，但應用還不是很普遍。一方面是很多情形其它激光也用得很好，另一方面是飛秒激光很貴。飛秒激光的價格比長脈沖激光和連續激光要貴很多。其它參數相近的飛秒和皮秒激光有時也會相差幾十萬元。
飛秒激光貴的原因主要有：
1）根據傅里葉變化關系，要產生超短飛秒脈沖必須具有寬光譜的增益介質，譬如鈦寶石。增益介質的帶寬決定了最終能實現的脈寬。所以用作飛秒激光增益介質的要求會高一些，現在主要是鈦寶石，部分Yb3+摻雜晶體和玻璃光纖；
2）飛秒激光脈沖一般需要通過鎖膜技術來實現，用來加工的大脈沖能量的飛秒脈沖還需要進一步將低脈沖能量的飛秒脈沖通過脈沖展寬-放大-壓縮的再生放大技術來實現，飛秒激光系統要用到加工精細的啁啾鏡等光學元器件以及高功率抽運源，激光系統比較復雜。
飛秒激光特性很好
飛秒加工有不少優勢，首先體現在精度高，其基于多光子吸收的特征和閾值效應以及加工過程中熱效應可以忽略（也就是通常強調的冷加工）。這里應該注意，這是指單脈沖或脈沖頻率比較低的情形，另外也只是相對而言，這里忽略了激光波長以及對象物質的特征等。
原理上，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。
激光加工可以認為是一種激光誘導反應，原理上分為誘導分子振動和電子激發。前者是熱反應，后者與構成物質的原子外殼層電子關聯的化學鍵相作用。考慮物質的能帶結構，一般長波長激光如CO2激光利用的是分子振動導致的熱反應，短波長激光如準分子激光利用的是電子激發產生的化學鍵的切斷。
近紅外飛秒激光加工通過多光子過程，也就是說雖然材料在激光波長(λ)沒有線性吸收，但焦點附近的光強很高，通過同時吸收多個（n）光子，起到了將短波長(λ/n)的光拿到材料內部去照材料所產生的同樣效果，實現有空間選擇性的微觀結構操控，而不影響表面結構，這是飛秒激光加工的另外一個優勢。
因為多種非線性過程競相參與，所產生的現象往往超過我們的預測和想像。飛秒激光與材料相互作用時，在此我們考慮在激光波長沒有線性吸收的介質，首先是通過多光子吸收或電離等過程，激光能量沉積在電子體系中，進而通過一系列的能量傳遞和輸送過程，導致材料的一系列變化。一般情況下，在激光輻照下，電子吸收光子被激發的時間在fs范圍（脈沖作用過程中），隨后發生電子-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，過程中熱效應的作用明顯。而飛秒激光的脈沖寬度小于電子-聲子相互作用的時間尺度，電子氣中沉積的激光能量來不及傳給離子激光脈沖輻照就已經結束了。此時電子氣的溫度非常高，而離子的溫度卻很低，材料發生的是“冷”燒蝕過程，抑制了流體力學效應、熱學效應等，加工的精度很高。已有不少工作比較了脈寬對激光加工的影響。從圖1可以看出飛秒脈沖加工結構比較陡峭而干凈，皮秒和納秒激光存在熱效應產生的隆起和殘余。正是由于飛秒激光的高精度和“冷加工”特性，它可以廣泛應用于微電子、航空航天等工業領域，也應用于醫療，如近視眼矯正、腦科手術等。
圖1 不同脈寬激光在100 μm厚的不銹鋼薄片上打孔的效果
左：80 ps 中：3.3 ns 右：200 fs
當脈沖寬度大于20 ps，研究表明石英玻璃的損傷閾值與脈沖寬度的平方根成正比，也就是說這時石英玻璃發生了熱損傷。當脈沖寬度小于10 ps時，損傷閾值與脈沖寬度的依賴關系明顯偏離平方根的規律，材料的損傷主要是由雪崩擊穿引起。在強電場作用下，一個電子被加速到能量高于帶隙寬度時，它將與價電子碰撞并產生兩個動能較小的導帶電子。如此的鏈式過程不斷重復，電子數隨時間按指數規律增長。如果雪崩產生的電子數密度在脈沖輻照時間內達到臨界值，材料被擊穿。賈天卿等將量子力學與經典近似相結合，研究了導帶電子的光吸收，根據flux-double模型和Keldysh理論分別算出了雪崩速率和光致電離速率，對材料中導帶電子數密度的演化進行了分析，發展了雪崩擊穿模型，解釋了材料的損傷閾值與脈沖寬度以及燒蝕深度、燒蝕體積與激光強度的依賴關系。
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和電子-晶格耦合有關。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）結束前，此時金屬和介質的燒蝕機理是一樣的。
飛秒激光是冷加工，其實是一個誤解
經常有人認為飛秒激光一定是冷加工，其實這也是一個誤解。飛秒激光加工還與激光脈沖頻率有關。當將眾多的飛秒激光脈沖串起來準連續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生熱累積效應。控制重復頻率則有望實現兼具飛秒激光和長脈沖或連續激光特征的多光子吸收和熱效應共存的三維結構制備，進一步拓展形成微納結構的種類與材料的功能。
圖2 飛秒激光在碲酸鹽玻璃樣品中誘導的熱影響區域
圖2是250 fs, 800 nm, 500 kHz飛秒激光在碲酸鹽玻璃樣品中誘導的熱影響區域的光學照片。誘導的結構呈現明顯的熱效應，結構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生一個熱場。對于低重復頻率飛秒激光，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，激光聚焦區域的溫度已經下降到環境溫度。而對于高重復頻率飛秒激光，由于其脈沖之間的間隔時間較短，當這個時間短于激光照射產生的熱場擴散所需的時間的時候，下一個脈沖到達樣品時，前一個脈沖產生的熱場還沒有完全消散，就會導致熱量的累積作用。而隨著照射時間的延長，激光脈沖數量的增加，激光聚焦區域的溫度會逐漸升高，直至到達動態平衡。高重復頻率飛秒激光照射過程中產生的熱場雖然會增大激光誘導微納結構的尺寸，但它對某些微納結構的形成也是至關重要的。
網上有不少將飛秒激光神化的描述，我們需要還原飛秒激光的本來面目，將飛秒激光用到極致，用在其能真正發揮其特點的領域，而不是“將原子彈用來轟蚊子”。
作者：邱建榮，浙江大學現代光學儀器國家重點實驗室
參考文獻：
1 邱建榮，【飛秒激光加工技術---基礎和應用】，科學出版社，2018， 北京。
2 B.N. Chichkov et al., Appl. Phys. A63, 109-115(1996).
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