超快激光器擁有因其無熱燒蝕性能和極高的峰值功率,為新的微細(xì)加工應(yīng)用提供了途徑。許多材料和應(yīng)用對(duì)熱效應(yīng)非常敏感，采用連續(xù)或長(zhǎng)脈沖激光可能會(huì)帶來的問題包括熱熔化、剝落、切屑、飛濺物和基材的損壞。然而，有了皮秒和飛秒激光器，這些不必要的副作用可以減輕或完全消除。除了減少熱效應(yīng)，利用超短脈沖寬度可以提高加工的效率，甚至使新的應(yīng)用成為可能–如內(nèi)部打標(biāo)或塊狀透明材料的劃片，這些對(duì)于連續(xù)波或長(zhǎng)脈寬的激光器是不可能實(shí)現(xiàn)的。

這些好處可以通過2至400ps脈沖寬度與脈沖能量高達(dá)125μJ的高功率光纖激光器得到體現(xiàn)。在此討論中采用的激光器是被安裝在美國(guó)俄勒岡州波特蘭一個(gè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，基于二維掃描振鏡加工系統(tǒng)，以及在一個(gè)創(chuàng)建非常小的激光光斑尺寸的固定焦點(diǎn)站。兩個(gè)加工系統(tǒng)都是計(jì)算機(jī)控制，并和激光系統(tǒng)同步，控制與實(shí)現(xiàn)任意模式加工。

本文通過特別有代表性的舉例，探討了超快激光在微加工應(yīng)用相較于長(zhǎng)脈沖激光的優(yōu)點(diǎn)。

無熱，高質(zhì)量的加工

許多微加工應(yīng)用可以用納秒激光器實(shí)現(xiàn)，但在質(zhì)量上有重大缺陷。這種激光器從根本上會(huì)給材料賦予更多的熱量，導(dǎo)致熔化、開裂、表面成分的變化和其他有害 的副作用。然而，有了超快激光加工，可以在任何材料和任何應(yīng)用實(shí)現(xiàn)真正的無熱加工。高能量皮秒激光器的一個(gè)特別好的應(yīng)用就是薄膜加工。在這應(yīng)用空間里，脈沖能量適中的激光器已被證明在材料去除上實(shí)現(xiàn)高速度、高質(zhì)量，而納秒激光器往往很難達(dá)到同等質(zhì)量，而且易于產(chǎn)生各種缺陷。由于長(zhǎng)納秒脈沖導(dǎo)致的薄膜部分加熱會(huì)引起一系列的有害副作用，包括邊緣凸起、熔化、切屑，基材開裂或損壞。

圖1顯示了納秒激光器用于薄膜加工中產(chǎn)生的一個(gè)缺陷。在圖中，一塊在厚厚的玻璃基板上的鉬薄膜被單脈沖激光在背面（上層）進(jìn)行幾何形狀刻劃，脈沖通過玻璃基板聚焦在薄膜后。薄膜隨即在一個(gè)“提取”處理中被移除，在10 ns的情況（圖1C），少量材料在邊緣剝落，從薄膜表面垂直突出，在劃線左邊緣的正下方就可以看到這樣的例子。對(duì)于導(dǎo)電材料，這種缺陷對(duì)于設(shè)備功能往往是災(zāi)難性的。

圖3：薄膜移除的閥值vs.脈沖寬度。移除閥值在皮秒階段很趨平，而在納秒階段快速上升。

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作者介紹：
Tim Gerke is laser applications engineer at Fianium Inc. in Lake Oswego, Ore.; email: tim.gerke@fianium.com.