超短脈沖激光器的工業(yè)成熟度引發(fā)了眾多材料加工方法的發(fā)展。最近，來自德國通快激光的研究人員將超快激光卓越的時(shí)間脈沖特性與先進(jìn)的結(jié)構(gòu)光概念相結(jié)合，引起了激光應(yīng)用方法開發(fā)的突破，該方法現(xiàn)在將逐步進(jìn)入工業(yè)環(huán)境。

小型化——制造越來越小的產(chǎn)品和組件，同時(shí)又要保持其功能和質(zhì)量的趨勢——是個(gè)遲早會影響所現(xiàn)有技術(shù)的過程。產(chǎn)品尺寸和重量減小，從而降低成本的前景促使制造商開發(fā)工具和加工策略。超短脈沖激光代表了可用于微米和納米級加工的獨(dú)特的工具。從約100fs到約10ps的脈沖持續(xù)時(shí)間以及相應(yīng)的極端峰值強(qiáng)度會導(dǎo)致與所有可能的材料發(fā)生相互作用，而與物質(zhì)狀態(tài)或吸收行為無關(guān)。

幾乎在每個(gè)光電設(shè)備中都可以找到諸如玻璃或藍(lán)寶石之類的透明且易碎的材料，這些材料主要由于極高的機(jī)械或化學(xué)性能而成為加工中極具挑戰(zhàn)性的例子。特別是超短脈沖激光顯示出巨大的潛力，可作為微妙的工具，用于在表面或體積內(nèi)部進(jìn)行受控的能量沉積。同時(shí)，由于邊緣的熱擴(kuò)散，未處理的相鄰區(qū)域的所需光學(xué)特性或已實(shí)現(xiàn)的光學(xué)功能不會受到影響。此類激光器通常提供的單個(gè)近乎衍射極限的高斯焦點(diǎn)分布代表了理想的焦點(diǎn)，僅在特殊情況下才可用于特定的激光加工過程。在考慮更有效的、行業(yè)兼容的概念以產(chǎn)生高吞吐量時(shí)，更復(fù)雜的空間分布變得尤其有吸引力。因此，除了超短脈沖激光器的顯著時(shí)間特性外，還需要在所有空間自由度上定制聚焦分布。

最近，“結(jié)構(gòu)光”一詞已被用來涵蓋先進(jìn)的光束整形概念，其中激光輻射的所有空間和時(shí)間特性都被操縱以實(shí)現(xiàn)定制的光狀態(tài)。在目前的情況下，時(shí)間特性是由工業(yè)超快激光平臺確定的，該平臺使用具有1ps持續(xù)時(shí)間的帶限脈沖。另一方面，空間特性由基于例如一次或多次照射的衍射光學(xué)元件、自由形式光學(xué)元件或幾何相位全息(固定或自適應(yīng)版本)的高效和抗功率概念決定。光束成形元件與聚焦單元(使用的最大為0.5納米)一起形成加工光學(xué)元件，加工光學(xué)元件通常被饋送自由空間或光纖引導(dǎo)的脈沖，如下圖1。

圖1. 超短脈沖處理光學(xué)的模塊化概念。

▲圖解：(a)自由空間或光纖引導(dǎo)的脈沖是(b)照明光束整形元件和(c)在自由空間傳播或轉(zhuǎn)換成它們各自的遠(yuǎn)場。在進(jìn)一步的可能的光束成形和(d)傳播步驟之后，(e)產(chǎn)生的光場被物鏡聚焦/成像到工件上或工件中。交替的光束成形和光束傳播/遠(yuǎn)場變換步驟可以通過單次照射多個(gè)元件或多次照射單個(gè)元件來實(shí)現(xiàn)

激光切割透明材料

基于開發(fā)的用于垂直玻璃切割的加工方法，近來，對定制玻璃邊緣的需求增加，例如倒角或斜面結(jié)構(gòu)。除了視覺上的好處，這是由于增加了邊緣穩(wěn)定性和減少了潛在的邊緣斷裂。此外，基底的幾何形狀變得越來越復(fù)雜，人們對切割具有曲面的玻璃很感興趣，如醫(yī)療技術(shù)中大量需要的管子、注射器和安瓿。這兩種情況的挑戰(zhàn)在于，所應(yīng)用的非衍射焦點(diǎn)分布需要敏感的像差校正，以補(bǔ)償由通過傾斜或彎曲界面的光束轉(zhuǎn)變引起的相位擾動(dòng)。下圖顯示了這一概念在加工具有給定直徑的玻璃管的例子中。下圖(a)模擬了貝塞爾-高斯光束在圓柱形玻璃表面后的傳播，其中獲得了峰值強(qiáng)度降低的復(fù)雜干涉圖案，特別是對于更大的傳播距離z。現(xiàn)在，研究人員實(shí)際上應(yīng)用了像差校正，并獲得了眾所周知的貝塞爾-高斯光束的幾乎不受干擾的輪廓，見下圖(b), (c)和(d)描述了加工樣品，證明了直徑> 1毫米、內(nèi)外輪廓復(fù)雜的玻璃管單程切割概念的有效性。

圖2. 切割具有復(fù)雜內(nèi)部和外部輪廓的玻璃管

透明材料的選擇性激光蝕刻

超短脈沖體積修改和隨后對電介質(zhì)的選擇性化學(xué)刻蝕（稱為選擇性激光蝕刻(selective laser etching, SLE)）相結(jié)合，可以快速制造具有最小結(jié)構(gòu)特征的任意形狀的三維（3D）玻璃結(jié)構(gòu)，最小的結(jié)構(gòu)特征可低至10μm規(guī)模。

圖3

▲圖解：(a)熔融石英晶片（4英寸），厚度為350μm，具有通過選擇性激光蝕刻制成的直徑為0.25至6 mm的高質(zhì)量玻璃通孔。(b)激光入射玻璃側(cè)面的顯微鏡圖像確認(rèn)了高質(zhì)量的邊緣輪廓。(c)通過SEM圖像證明的無錐度玻璃通孔。

在激光加工過程中，沿著光束輪廓從光束的入口一直延伸到要加工的材料的出射側(cè)延伸的細(xì)長變型依次排列。修改后的體積通常顯示出比基礎(chǔ)材料高100倍的蝕刻速率。取決于要處理的相應(yīng)材料、適應(yīng)的脈沖能量、持續(xù)時(shí)間和受控的時(shí)空能量沉積策略可以制造出具有高蝕刻速率的高質(zhì)量，無錐度的2D幾何形狀。圖3（a）顯示了厚度為350μm的已加工熔融石英晶片，在該晶片中蝕刻了高密度的不同直徑（0.25至6 mm之間）的玻璃通孔（TGV）。通過施加30重量％。在溫度為80°C的超聲浴中獲得約20μm/ min的30 wt.％KOH蝕刻溶液。

透明材料的激光焊接

TRUMPF超短脈沖焊接產(chǎn)品組合包括一個(gè)超短脈沖激光源（TruMicro 2000系列）和TOP Weld光學(xué)元件。如圖4(a)中測得的剪切強(qiáng)度所示，這樣生成的焦點(diǎn)分布會導(dǎo)致更高的處理性能。焦距約230μm與最新的聚焦（高斯光束形狀）相比，z方向上的230μm大約高三倍，同時(shí)保持了與體積材料一樣高的斷裂穩(wěn)定性。

圖4

使用時(shí)間脈沖能量調(diào)制，甚至可以改善焊接性能。如Nakamura等人所示，脈沖能量的時(shí)間調(diào)制可以減少焊縫內(nèi)部和周圍的永久應(yīng)力，并允許較大的焊縫尺寸。添加了可以直接在TruMicro 2000系列的激光控制中設(shè)置的這項(xiàng)技術(shù)，可以將圖4(a)所示的焦距提高到300μm大猩猩玻璃杯。工業(yè)環(huán)境中焊接的另一個(gè)重要特征是間隙的橋接。如上所述，最新技術(shù)僅限于3μm。通過使用TOP Weld光學(xué)元件，間隙最大可達(dá)到7μm以及脈沖能量調(diào)制間隙甚至可以達(dá)到 10μm可以橋接。通過這種方式，可以解決消費(fèi)電子，生物醫(yī)學(xué)或MEMS設(shè)備封裝領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。

激光表面結(jié)構(gòu)和沖擊鉆

超短激光脈沖的鉆孔工藝可以滿足顯示器和電子行業(yè)高端應(yīng)用的需求。尤其是，微結(jié)構(gòu)的制造需要最高的精度和對工件的最小損壞。盡管要處理的材料千差萬別，從高吸收性材料到透明材料，該處理策略通?；诟咚菇裹c(diǎn)，該焦點(diǎn)使用掃描儀光學(xué)器件或光學(xué)器件對準(zhǔn)工件。盡管通?？梢垣@得高質(zhì)量的加工結(jié)果，但通常無法始終滿足有關(guān)效率和加工速度的行業(yè)要求。另外，多種應(yīng)用，例如在多層堆疊中制造盲孔或在金屬箔中形成通孔，都需要特定的處理限制。例如，將精細(xì)金屬掩模（FMM）用于制造OLED顯示器需要精確的矩形孔形狀以及定制的錐角，并最大程度地減少殘留顆粒污染。最后，可實(shí)現(xiàn)的吞吐量決定了超短脈沖激光平臺的實(shí)現(xiàn)。

圖5. 使用如圖所示的平頂光束輪廓進(jìn)行鉆孔的結(jié)果

▲圖6. 在FMM應(yīng)用中，可在Invar箔中鉆制的矩形孔的錐度可控制，厚度為10μm。使用波長為515 nm（左側(cè)）的微米級強(qiáng)度漸變平頂光束，可以實(shí)現(xiàn)額外的可調(diào)節(jié)性。

本文來源：Daniel Flamm et al, Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing, Optical Engineering (2021). DOI: 10.1117/1.OE.60.2.025105