用超短脈沖激光實現(xiàn)冷消融、冷切割和冷鉆孔，是二十多年來人們一直期望能夠在工業(yè)應(yīng)用中實現(xiàn)的一個愿景。在過去十年間進行的一些早期實驗中，人們用鈦藍寶石放大器產(chǎn)生超快激光，這些實驗已經(jīng)證明了超短激光脈沖在精密機械加工領(lǐng)域所擁有的巨大潛能。但是對于精密機械加工而言，到底多短的脈沖才能滿足精密加工的要求呢？當(dāng)激光脈沖作用到材料上時會發(fā)生怎樣的反應(yīng)？對脈沖與材料的作用時間范圍有何要求？

　　作用原理、作用時間、能量密度

　　以金屬對激光脈沖的吸收為例，其從根本上說是能量從激光脈沖轉(zhuǎn)移到金屬材料的電子的一個能量轉(zhuǎn)移過程。對于持續(xù)時間為納秒級的脈沖而言，電子與所處晶格之間會發(fā)生一個溫度平衡過程，并且最終開始融化材料，直到部分蒸發(fā)。

　　在這個過程中，脈沖越短，能量轉(zhuǎn)移到電子的速度越快。在理想條件下，如果脈沖足夠短，那么在電子與晶格之間便沒有足夠的時間產(chǎn)生溫度平衡。接下來，“熱電子”（相對于冷晶格而言）有兩種方式與晶格作用：在一個特征時間后，來自電子的熱量開始向周圍的晶格擴散。這種電子-聲子弛豫時間是物質(zhì)的一種屬性，其典型值為1~10ps。在大致相同的時間范圍內(nèi)，但稍有些延遲，熱電子和晶格之間發(fā)生了突然的能量轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致相位爆炸，即激活體的蒸發(fā)。

　　從上述解釋可以得出以下兩個基本結(jié)論：

　　1、激光脈沖的持續(xù)時間必須足夠短，以防止電子與晶格之間發(fā)生溫度平衡過程。對于金屬和大多數(shù)其他材料而言，均要求脈沖持續(xù)時間在1~10ps之間甚至更短。

　　2、由于在熱擴散和消融之間有一個時間延遲，因此始終會存有殘余熱量，即使是在脈沖最短的情況下。

　　因此，冷加工必須定義為在最小的熱擴散情況下進行加工，這要求脈沖持續(xù)時間在1~10ps之間甚至更短。

　　雖然皮秒/飛秒激光脈沖較短的持續(xù)時間是冷加工的一個必要條件，但是光有足夠短的脈沖還遠遠不夠。如果熱電子因為過高的激光能量密度而被“過度加熱”，那么熱擴散效應(yīng)將較為明顯，整個加工過程則會轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇^程。一般來講，大約1J/cm2的能量密度，是用皮秒/飛秒激光脈沖進行消融加工、而不會產(chǎn)生能夠測量得到的熱效應(yīng)的最佳能量臨界點，即此時具有最佳的低熱穿透深度。

　　線性吸收與非線性吸收

　　然而要實現(xiàn)最佳能量臨界點并非易事。除了上述提到的決定熱影響的因素外，光學(xué)穿透深度決定了激光脈沖的哪個部分在什么深度被吸收。

　　對于溫和消融而言，光穿透深度應(yīng)該在1μm的區(qū)域甚至更淺，這主要有三個原因：

　　1、光穿透深度決定消融深度。深度太大的消融將不再被視為溫和消融，因為其將導(dǎo)致粗糙的表面和邊緣，特別是對于硬而脆的材料而言，還會有微裂紋產(chǎn)生。

　　2、若光穿透深度過大，消融過程將變得效率低下，因為大多數(shù)激光脈沖可能不能被吸收，能量浪費較大。

　　3、針對基底的選擇性消融材料（如薄膜太陽能電池的絕緣體上的薄膜刻圖），光的穿透深度過大可能造成基底材料的損害。