本文作者：上海大學(xué)副教授 馮杰才

得益于啁啾脈沖放大技術(shù)的發(fā)展，超快激光技術(shù)從超快走向超強。飛秒激光、皮秒激光等超快激光技術(shù)已迅速成為加工脆硬材料和復(fù)雜微細構(gòu)件的利器，在醫(yī)療、航空航天、半導(dǎo)體等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。然而，超快激光與脆硬材料相互作用的機理尚不清楚，脆硬材料超快激光加工仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在國家重點研發(fā)計劃 (2023YFB3307700) 的資助下，上海大學(xué)馮杰才副教授激光加工研究團隊聯(lián)合南開大學(xué)超快電子顯微鏡實驗室和中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室共同在 Materials 期刊發(fā)表的文章 (A Review of an Investigation of the Ultrafast Laser Processing of Brittle and Hard Materials)，詳細闡述了航空發(fā)動機葉片、航天大型構(gòu)件和大科學(xué)裝置光學(xué)器件等常用的高溫合金、熱障陶瓷、碳化硅復(fù)合材料和金剛石等脆硬材料的超快激光加工研究現(xiàn)狀，以及面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對策略。

1 超快激光與脆硬材料相互作用機理研究

1.1 超快激光能量的吸收

飛秒激光與材料之間的主要相互作用是通過光子的吸收，光子的吸收將電子從平衡態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)。材料吸收激光能量機理與材料的帶隙寬度、熱導(dǎo)率和其他特性相關(guān)。金剛石是典型的寬禁帶材料，在超短脈沖激光作用下，自由電子密度急劇增加，使絕緣的金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電材料。圖1為超快激光作用于金剛石過程中電子激發(fā)示意圖。

圖1. 超快激光加工過程中電子激發(fā)示意圖^[1]。

1.2 能量轉(zhuǎn)換

超快激光加工中，能量傳遞和轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是激光誘導(dǎo)等離子體中的電子、離子、光子以及連續(xù)介質(zhì)材料的相互作用。圖2為時間尺度被用于描述飛秒激光的能量弛豫。

圖2. 超快激光加工各過程的時間尺度^[2]。

2 脆硬材料的超快激光加工

2.1 鎳基高溫合金和熱障陶瓷

飛機渦輪葉片等結(jié)構(gòu)包括表面二氧化鋯陶瓷層，中間抗氧化和耐腐蝕層和作為襯底的高溫合金，葉片存在大量氣膜孔。飛秒激光解決了微/納秒激光加工葉片時容易出現(xiàn)飛濺、微裂紋、熱影響區(qū)、重鑄層和陶瓷熱障涂層開裂等問題。本文報道了一種飛秒激光兩步螺旋鉆削法，可實現(xiàn)氣膜孔的高質(zhì)量加工 (圖3)。

圖3. (a) 飛秒鉆孔系統(tǒng)原理圖：(b) 螺旋掃描模塊的光傳輸原理；(c) 掃描路徑；(d) 兩步螺旋鉆孔機理^[3]。

2.2 金剛石

飛秒激光脈沖時間為10^?15 s，短于電子晶格弛豫過程時間 (10^?10—10^?12 s)，因此采用飛秒激光加工金剛石，表面裂紋、熱影響區(qū)和石墨化等問題能得到有效抑制。本文報道了飛秒激光燒蝕金剛石的機制：高掃描速度或低單脈沖激光能量下金剛石表面材料熔化和再凝固；掃描速度降低或脈沖激光能量增加時金剛石涂層燒蝕分為熔化、石墨化和蒸發(fā) (圖4)。

圖4. 飛秒激光加工材料及方案示意圖：金剛石的 (a) SEM圖和 (b) 三維形貌；(c) 飛秒激光加工系統(tǒng)；(d) 三種實驗方案：僅改變脈沖數(shù)N，僅改變單脈沖激光能量E，同時改變N和E^[4]。

2.3 二氧化硅 (SiO₂) 和石英玻璃

飛秒激光因其脈沖時間超短、精度高、材料表面損傷極小被認為是SiO₂精密加工的關(guān)鍵方法。本文報道了一種高效高精度的SiO₂飛秒激光加工技術(shù) (圖5)。

圖5. (a) 長脈沖及 (b) 超短脈沖激光示意圖，飛秒激光加工系統(tǒng) (c) 示意圖和 (d) 實物照片，(e) 共振微結(jié)構(gòu)^[5]。

2.4 碳化硅及其復(fù)合材料

碳化硅 (SiC) 被廣泛應(yīng)用于高溫、高速、高壓電子器件，然而傳統(tǒng)方法難以高效、高質(zhì)量地加工SiC。本文報道了一種通過將單飛秒脈沖聚焦到熔融硅表面獲得同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)的技術(shù)，在制備各向同性結(jié)構(gòu)著色表面具有良好的應(yīng)用前景 (圖6)。

圖6. 不同激光脈沖能量下的微觀結(jié)構(gòu)：(a) 1 mJ；(b) 2 mJ；(c) 3 mJ；(d) 4 mJ；(e) 5 mJ；(f) 5.8 mJ^[6]。

3 超快激光加工的精密制造

3.1 加工質(zhì)量控制

超快激光加工機理和數(shù)據(jù)模型的耦合調(diào)控是精密制造需要解決的首要問題，本文報道了一種飛秒激光加工系統(tǒng)，當(dāng)脈沖重疊率為92.5%時，錐度最小，較低的脈沖重疊率提高了微孔壁質(zhì)量，減少了重鑄層和微裂紋的出現(xiàn) (圖7)。

圖7. (a) 飛秒激光處理系統(tǒng)示意圖；(b) 激光掃描路徑示意圖；(c) 重疊率計算示意圖^[7]。

3.2 精密制造系統(tǒng)

精密超快激光加工涉及運動軸、激光參數(shù)、光路方向、振鏡和物鏡的控制。本文報到了一種飛秒激光螺旋鉆削系統(tǒng)，可實現(xiàn)高質(zhì)量微孔的加工 (圖8)。

圖8. (a) 飛秒螺旋鉆削系統(tǒng)；(b) 加工區(qū)域；(c) 螺旋掃描軌跡；(d) 不同鉆削間隔產(chǎn)生的孔壁微觀結(jié)構(gòu)剖面^[8]。

3.3 人工智能輔助制造

人工智能的快速發(fā)展，極大地提高了飛秒激光制造的效率和質(zhì)量。本文報道了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，加工過程中同時檢測激光束的姿態(tài)，實現(xiàn)了同時識別多個飛秒激光微加工參數(shù)的可行性，極大地提高了飛秒激光微加工質(zhì)量 (圖9)。

圖9. (a) 飛秒激光微加工中的實時閉環(huán)反饋示意圖；(b) 檢測激光束的變換；(c) 預(yù)測剩余脈沖數(shù)^[9]。

總結(jié)與展望

超快激光已成為脆硬材料高質(zhì)量加工的有效方法，在航空、航天、半導(dǎo)體等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。超快激光能量的吸收、傳遞是激光與材料相互作用的兩個關(guān)鍵因素，人工智能的快速發(fā)展極大地提高了超快激光制造的效率和質(zhì)量。然而，脆硬材料飛秒激光加工仍面臨諸多挑戰(zhàn)：非線性激光能量吸收機理尚不清楚、激光能量傳遞與轉(zhuǎn)化機制尚不確定、脆硬材料加工的尺寸精度和形狀精度仍有待提高、脆硬材料大幅面飛秒激光加工質(zhì)量一致性急需提升。融合高時空分辨原位監(jiān)測系統(tǒng)、跨尺度分子動力學(xué)仿真、超快激光時/空/頻域協(xié)同調(diào)控、高精度運動平臺及插補算法和機器學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)等方法，有望解決上述問題，推動超快激光在脆硬材料精密制造領(lǐng)域的應(yīng)用。

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