任何加工工藝的目標都在于以最經濟的方式、在最短時間內達到所希望的高品質效果。與切、銑、鉆等常規(guī)機械加工技術相比，激光加工可以實現局部、高質量的精準加工。正確選擇激光器，可以實現高收益、高產出和經濟的加工過程。
移動設備制造是大量使用激光器的一個重要行業(yè)。生產更小型、更快速、更輕質并且成本更低的移動設備，需要能滿足這一挑戰(zhàn)的激光微加工工藝。其它行業(yè)，如醫(yī)療設備制造、清潔能源、汽車和航空航天等產業(yè)，也不同程度地采用了激光加工技術。
盡管有好幾個激光參數都會影響加工效果，脈沖寬度的選擇則是對精度、生產能力、質量和工藝經濟性影響最大的因素之一。脈沖寬度在納秒至飛秒范圍內的脈沖激光器，通常被用于各種材料的精密微加工。本文描述了對常用于微加工領域的納秒、皮秒和飛秒激光器，如何在生產能力、質量和成本之間進行權衡。
納秒級脈沖寬度
已建立的認知是，對于相同的平均功率，納秒激光器可帶來較高的材料去除速率，因此，與皮秒、飛秒激光器相比，其生產能力更高，這是由于大部分材料的去除是通過熔化工藝實現的。激光脈沖將材料從室溫加熱到其熔化溫度，并最終通過蒸發(fā)和逐出熔料而被去除。
然而，由于被去除的熔化材料常常會附著在被加工部位的邊緣并重新固化，因此使加工精度和質量受到不利影響。保留在材料中的殘余熱量還會在被加工部位產生所謂的熱影響區(qū)（HAZ）。同時，一些被熔融物可能會飛濺到被加工部位，從而造成加工質量不良。
然而，如果增加一些成本，采用綠光、紫外（UV）波長或波長更短的納秒脈沖寬度激光器，便可緩解上述副作用。特別是UV納秒激光器可顯著降低熱影響區(qū)，因為大多數材料的吸收深度均較淺。UV納秒激光器還具有加工較小形狀時所需的焦斑大小更緊實、焦距更深的優(yōu)勢。
圖1：在銅—聚酰亞胺—銅FPCB 膜上鉆出的一個微孔，孔徑80μm，成孔邊緣的毛刺平均高度僅約2μm。
UV納秒激光器在功能和成本方面的最新發(fā)展，加速了其在精密微加工領域的應用。例如，美國理波（Newport）旗下公司Spectra-Physics 推出的兩款UV 激光器Talon和Explorer引領UV激光器行業(yè)實現了一次大幅度的性價比提升，通過多年努力帶來了3倍以上的單位瓦特成本改善。因而，這些激光器已被廣泛使用于各類應用中，如UV打標、薄膜圖案裝飾、印刷電路板切割，并通過鉆削在高產量的條件下實現精細的外形。圖1顯示了采用Talon UV激光器，在銅—聚酰亞胺—銅柔性印刷電路板（FPCB）膜上鉆出的一個微孔，其孔徑80μm，成孔邊緣的毛刺極細微，平均高度僅約2μm。
另一方面，Spectra-Physics的Quasar紫外混合光纖激光器可提供大于 60W的高重復率、靈活、且可編程的UV短納秒脈沖。這種功能組合大大拓寬了UV納秒激光器的可用參數空間，并能實現諸多材料的高質量、高產能加工，包括半導體、陶瓷、玻璃、藍寶石、電池箔等用于制造移動設備的一系列材料。未來，UV納秒激光器的單位成本曲線將進一步拉低，同時進一步增強的能力可以繼續(xù)擴展其在大規(guī)模生產領域中的應用。
納秒與皮秒加工對比
納秒與皮秒激光器的早期研究顯示，當使用皮秒激光脈沖代替納秒脈沖進行加工時，不銹鋼的熔化情況會減少。多項其它研究已表明，當采用皮秒激光器進行微加工時，加工質量—被定義為激光加工部位邊緣的熱影響區(qū)廣度、碎片形成、熔融物積聚以及飛濺等方面均有提升。同時，按單位面積能量（mJ / cm2）測得的最小能量密度來定義，皮秒激光脈沖的材料去除閾值比納秒激光脈沖要低得多。
由于較短的皮秒脈沖寬度有助于以單次脈沖較低能量去除材料，因此可以實現高峰值功率。但是，從實用角度來看，大多數切割或鉆孔工藝是在遠高于材料去除閾值的能量密度下進行的，而平均功率相同的納秒激光器能夠比皮秒激光器提供更高的生產量。因此如果對加工來說，質量更為重要，那么就應當使用皮秒激光器而非納秒激光器。
圖2：分別采用UV納秒激光器（a）和綠色皮秒激光器（b）在Gorilla 玻璃上劃線。
一旦做出選擇，則應采用適當功率的皮秒激光器以滿足生產能力的要求。圖2顯示了在類似工藝條件下（平均功率30W、脈沖重復頻率1 MHz），分別采用UV納秒或綠色皮秒激光器，在0.7毫米厚的Gorilla玻璃（一款環(huán)保、輕薄玻璃，被用作高端顯示設備的保護層）上刻紋的結果。采用UV納秒激光器劃線深度可達約70μm，而采用綠色皮秒激光器則僅可達約40μm。但是，采用UV納秒激光器加工的玻璃邊緣豁口約 18μm，采用綠色皮秒激光器則僅約9μm。
皮秒激光器與納秒激光器相比較，除了質量上的優(yōu)勢及生產能力上的劣勢，還應考慮經濟性，這是由于皮秒激光器的前期投入成本和經營成本通常都更昂貴。Spectra-Physics公司的IceFyre工業(yè)級皮秒激光器是集高功率、超短脈沖、前所未有的通用性、重復頻率可調、可編程靈活調節(jié)脈寬、脈沖可按需觸發(fā)等諸多功能于一身，并且具有很好的成本優(yōu)勢。在1064nm波長處可提供大于50W的平均功率和大于200μJ的脈沖能量，是精密加工藍寶石、玻璃、陶瓷、塑料及其他材料的理想光源。同時，它也使得超快激光器真正實現規(guī)模化的工業(yè)應用。
皮秒與飛秒加工對比
談到更短的脈沖寬度，在用于微加工的皮秒與飛秒激光脈沖寬度之間的選擇，取決于材質、質量要求以及經濟方面的考量。飛秒激光器可以提供優(yōu)于皮秒激光器的加工質量，但其更高的激光器成本也必須加以考慮。皮秒和飛秒激光器均能提供高峰值功率，從而降低材料去除閾值能量密度。對于許多材料而言，飛秒激光脈沖的去除閾值能量密度低于皮秒脈沖。但是，在大多數能量密度水平高于閾值的實際加工過程中，材料去除率是與材質息息相關的。
一項研究表明，由于脈沖寬度從10ps 減小到900fs，不銹鋼的材料去除率上升，而氮化鋁的去除率則隨著脈沖寬度的減小而降低。在加工熱敏性聚合物，如加工制造可降解支架的左旋聚乳酸（PLLA）、或用于有機LED顯示器（OLED）薄膜時，飛秒激光脈沖必須注意避免熔化損傷和熱損傷。
圖3：分別采用皮秒激光器（a）和飛秒激光器（b）切割左旋聚乳酸（PLLA）邊緣。
圖3a顯示的是采用一款10ps脈沖寬度的皮秒激光器加工PLLA的邊緣熔化情況，圖3b顯示了一個采用400fs脈沖寬度的Spectra-Physics激光器加工出的整齊邊緣。所以，對于某些特定類型的材料，因為特性的關系，以及皮秒激光器無法達到其加工質量要求，必須采用飛秒激光器。與納秒、皮秒激光器一樣，飛秒激光器的性價比也在逐步提升。
總結
雖然任何單一的激光脈沖寬度都無法滿足所有材料加工的要求，脈沖寬度的選擇對于加工質量、生產能力和成本研究具有顯著的影響。基于此，應根據材質、期望質量、生產能力和成本等要素來選擇適合的激光器。一般來說，納秒激光器可提供一個比皮秒和飛秒激光器更為經濟、生產能力高、質量水平合理的解決方案，尤其是UV納秒激光器能在諸多應用中提供一個高質量、高生產能力的“制勝點”。
然而，對于薄金屬、透明材料和熱敏材料，皮秒和飛秒激光器則可提供加工質量優(yōu)勢，在要求最佳加工質量的情況下，皮秒或飛秒激光器將是微加工的理想之選。新型大功率工業(yè)級皮秒和飛秒激光器，能提供更高的生產能力，以及更高的質量和更低的單位成本。
展望未來，將會看到納秒、皮秒和飛秒激光器性價比的持續(xù)進步。這些進步，將推動采用各種脈沖寬度的激光器在精密制造業(yè)的飛速應用。每種激光器憑借其在加工質量、生產能力和經濟性方面的優(yōu)勢，將分別在特定材料類型和應用中大顯身手。
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