超短脈沖(USP)激光器向工件傳遞光子，如果傳遞得當(dāng)，能夠在加工過程中產(chǎn)生很少或沒有熱量。這是在這種脈沖長(zhǎng)度范圍內(nèi)工作的主要好處。在過去的20年里，USP激光器作為一種工業(yè)加工工具已經(jīng)起飛，重點(diǎn)是切割和鉆孔應(yīng)用，特別是那些用長(zhǎng)脈沖長(zhǎng)度的激光器無法實(shí)現(xiàn)所需的最終產(chǎn)品，或者需要大量昂貴的激光后處理的應(yīng)用。目前，一些不同的表面應(yīng)用領(lǐng)域正在被研究，甚至在生產(chǎn)環(huán)境中使用。

一個(gè)重要的激光應(yīng)用領(lǐng)域是增材制造。USP激光器一般不被認(rèn)為是用于這一過程的激光器，因?yàn)樗鼈兊膬?yōu)點(diǎn)是沒有熱量，但它們正被研究用于直接激光輔助沉積，以生產(chǎn)精確或敏感的部件，它們也被用于激光輔助制造部件的精密后處理。例如，使用雙光子聚合技術(shù)可以用丙烯酸樹脂打印3D結(jié)構(gòu)。使用市面上的軟件可以實(shí)現(xiàn)非?？斓膶懭胨俣?。圖1顯示了在200毫米/秒的寫入速度下，以1.5微米的層高和2微米的分辨率制成的部件。

圖1. 高分辨率聚合物沉積的一個(gè)例子。

然而，打標(biāo)仍然是大多數(shù)激光器的銷售對(duì)象。這些激光器和系統(tǒng)的銷售價(jià)格往往很低，因此在打標(biāo)應(yīng)用中使用更昂貴的USP激光器，只能在特殊情況下進(jìn)行。醫(yī)療設(shè)備的不銹鋼打標(biāo)就是這樣的一個(gè)領(lǐng)域。碰巧的是，USP激光打標(biāo)的部件比其他任何方法打標(biāo)的部件都要好，它甚至可以用來打出不同顏色的標(biāo)記，具體取決于激光條件。圖2顯示了一個(gè)高度放大的圖像，顯示了不銹鋼表面上白色和黑色飛秒標(biāo)記之間的差異。這個(gè)標(biāo)記是使用一種叫做BiBurst的功能產(chǎn)生的，它將兆赫茲和千兆赫茲的爆發(fā)結(jié)合在一起進(jìn)行工作。

圖2.顯示了醫(yī)用級(jí)不銹鋼（a）上的白色和黑色標(biāo)記的表面輪廓，以及不銹鋼（b）上的各種飛秒激光標(biāo)記。

USP的大部分激光活動(dòng)仍然是在材料去除領(lǐng)域。例如，在模具生產(chǎn)中使用的滾筒表面的三維特征方面，正在創(chuàng)造一個(gè)巨大的市場(chǎng)領(lǐng)域。另一個(gè)潛在的大市場(chǎng)領(lǐng)域是創(chuàng)造具有某些親水（或疏水）特性的表面。這種特征的深度通常為幾微米到幾百微米，通過直接激光燒蝕來創(chuàng)造。創(chuàng)建這些特征的過程并不復(fù)雜，即使有簡(jiǎn)單的光學(xué)設(shè)置。然而，如何擴(kuò)大規(guī)模，以經(jīng)濟(jì)和精確的方式雕刻長(zhǎng)達(dá)數(shù)英尺、寬達(dá)數(shù)英尺的輥?zhàn)樱菍SP激光器納入生產(chǎn)環(huán)境的關(guān)鍵。

玻璃很難用長(zhǎng)脈沖激光器進(jìn)行激光加工，但它們可以用USP激光器直接燒蝕，或者對(duì)某些材料進(jìn)行曝光，然后進(jìn)行化學(xué)蝕刻。圖3顯示了一張飛秒激光燒蝕的玻璃幻燈片的高分辨率顯微照片。

圖3.飛秒激光蝕刻的載玻片。

USP激光器在表面的其他可能用途是清潔或去污和拋光。對(duì)于小的表面結(jié)構(gòu)，直接使用激光燒蝕可以達(dá)到的最佳表面粗糙度是Sa = 0.5 μm。這對(duì)許多應(yīng)用來說是不夠的，因此，在激光燒蝕后必須進(jìn)行拋光處理。如果同一臺(tái)USP激光器和光學(xué)裝置可用于這兩個(gè)步驟，就會(huì)有好處，而且已經(jīng)表明，在金屬上的工藝涉及到產(chǎn)生一個(gè)薄的熔融層，然后將材料更均勻地分布在表面。結(jié)果顯示Ra<0.3 μm，而USP對(duì)一些聚合物的拋光結(jié)果顯示Ra<100 nm。

為了擴(kuò)大該工藝的規(guī)模，需要使用更高的每脈沖能量或脈沖重復(fù)率。提高脈沖能量是有限制的，因?yàn)樘叩哪芰繒?huì)使工藝經(jīng)常出現(xiàn)熱負(fù)荷，從而否定了USP激光器的主要好處。光束分裂可以解決這個(gè)問題；但是，由于USP激光器通常能夠達(dá)到非常高的重復(fù)率（1-10 MHz或更高），如果光束不能快速移動(dòng)，以避免停留時(shí)間過長(zhǎng)而對(duì)材料產(chǎn)生熱量，那么可用的重復(fù)率就會(huì)受到限制。另外，為了充分利用現(xiàn)有的能力，脈沖必須被觸發(fā)，以便均勻地傳遞，包括在加速過程中，如果使用USP激光器，這一點(diǎn)尤其重要。因此，經(jīng)濟(jì)地覆蓋大面積的目標(biāo)一直難以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，技術(shù)的進(jìn)步使高重復(fù)率的USP光能夠非?？焖俚貍鬟f到大型功能表面。

全世界正在進(jìn)行許多協(xié)調(diào)工作（激光器/光學(xué)器件/系統(tǒng)/應(yīng)用），以促進(jìn)USP激光器更大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。例如，自然表面展示了特殊的納米和微米級(jí)特征如何使表面具有超疏水（如荷葉拒水）或抗菌性?；诩す獾募y理技術(shù)是一種能夠模仿自然表面并在不使用添加劑的情況下使其功能化的技術(shù)。據(jù)Next Scan Technology（比利時(shí)Evergem）的管理合伙人Lars Penning博士說，歐盟資助的項(xiàng)目LAMpAS旨在通過基于千瓦級(jí)USP的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量。啟用這項(xiàng)技術(shù)將確保USP激光器在具有新功能的家用電器和其他快速發(fā)展的消費(fèi)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)性制造和商業(yè)化方面發(fā)揮作用。

LAMpAS系統(tǒng)將集成一個(gè)基于薄盤技術(shù)的皮秒激光器，以兆赫級(jí)的重復(fù)率提供高達(dá)1.5千瓦的功率?；诩す獾臋C(jī)器將實(shí)現(xiàn)高分辨率（特征尺寸從200納米到200微米）和高產(chǎn)量（高達(dá)1-5平方米/分鐘），以滿足功能性和商業(yè)化的目的。

應(yīng)用納米和微米大小的特征是可以實(shí)現(xiàn)的，這要?dú)w功于一種稱為直接激光干涉圖案（DLIP）的多波束加工技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)能夠在干涉圖案的強(qiáng)度最大值位置發(fā)生的局部燒蝕的基礎(chǔ)上生產(chǎn)重復(fù)的表面結(jié)構(gòu)。在LAMpAS項(xiàng)目中，干涉圖案是由兩束激光與一個(gè)多邊形掃描系統(tǒng)的重疊產(chǎn)生的。圖4顯示了在鋁表面產(chǎn)生的柱狀結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。

圖4.使用DLIP處理過的鋁表面，具有類似柱的幾何形狀。

此外，通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行過程控制，控制激光和基底之間的相互作用，這些技術(shù)還可以刺激自組織過程，在微米和亞微米范圍內(nèi)以均勻的方式產(chǎn)生激光誘導(dǎo)的周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）。具有不同特征尺寸的結(jié)構(gòu)的組合對(duì)于達(dá)到增強(qiáng)的表面性能是有意義的。這種方法將導(dǎo)致應(yīng)用許多其他獨(dú)特的表面特性。LAMpAS項(xiàng)目得到了歐盟地平線2020研究和創(chuàng)新計(jì)劃的資助，資助協(xié)議號(hào)為825132。它是光子學(xué)公私伙伴關(guān)系（photonics21.org）的一項(xiàng)倡議。

在過去幾年里，激光領(lǐng)域發(fā)展得非?？?，激光器制造商都在努力使他們的激光器更可靠、成本更低、更容易與其他部件集成，以便大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品，而這是在工業(yè)環(huán)境中全面實(shí)施USP激光器所需要的?？磥硎虑檎_的方向發(fā)展，并且進(jìn)展順利。