眾所周知，皮秒脈沖激光器在廣泛的工業(yè)微加工應用方面具有眾多優(yōu)勢。尤其值得一提的是，它幾乎沒有熱影響區(qū)，可以處理的材料范圍極其廣，甚至包括那些在可見光和近紅外光區(qū)透明的材料。不過，在早期的時候，皮秒激光器尚不具備必要的信賴度、低經(jīng)營成本，也缺乏在許多生產(chǎn)環(huán)境中實際應用的實踐參數(shù)。而現(xiàn)在新一代的工業(yè)皮秒激光器可以實現(xiàn)這一技術所具備的優(yōu)勢特點。本文探討了納秒和皮秒激光加工之間的主要差異，介紹了當前可用的皮秒激光源的基本體系結(jié)構(gòu)以及在工業(yè)中的典型應用。 

    皮秒 Vs 納秒 

    微加工通常針對的是微米級別的加工需求，如孔和槽,同時還要避免對周邊材料造成熱損傷。換句話說，微加工的目的就是獲得精細、干凈的切口，而且熱影響區(qū)（HAZ）最小。 

    用激光進行精密鉆孔、劃片或者切割有兩種基本機制。許多傳統(tǒng)應用主要依賴于紅外和可見光調(diào)Q激光器，它們的脈寬在數(shù)十納秒范圍，通過光熱作用來移除材料（見圖1）。在這種情況下，聚焦的激光光束是密閉的、強度高的熱源，它會迅速加熱目標材料并最終使之汽化。

    這種方法的優(yōu)點是它可以快速去除相對較多的目標材料（特別是調(diào)Q激光器通常以數(shù)千赫茲的重復頻率運行）。而且，眾所周知的是納秒激光技術具有完善的技術基礎，來源高度可靠，運營成本也很有吸引力。不過，對那些要求最苛刻的加工任務來說，在熱影響區(qū)的大小、頻繁產(chǎn)生的重鑄材料或者是表面涂層的分層開裂等方面仍然存在一些限制。 

    激光去除材料的第二種機制建立在光化學燒蝕（圖1）基礎上。在這種情況下，激光光子直接破壞目標材料的結(jié)合鍵。這相對來說是一種“冷”加工過程，因而熱影響區(qū)很小。另外，整個加工過程很干凈，沒有重鑄材料，因而很少需要后期再加工。 

    紫外(UV)激光光子的高能量意味著在很多材料中它們可以驅(qū)動光化學燒蝕的發(fā)生。因此，紫外調(diào)Q激光器通過光化學燒蝕來去除材料。不過，可以實現(xiàn)完全的光化學燒蝕作用的另一個方法是使用皮秒量級或者是更短的脈沖。這些超短脈沖具有非常高的瞬時峰值功率（兆瓦及以上），其高能量密度使其可以通過多光子吸收來激發(fā)材料中的電子并且直接破壞原子鍵（圖 2）。此外，由于脈寬比機械加工材料的熱擴散率短，殘余熱效應帶來的大部分熱量都會被帶走，而來不及傳播開來，因而基本不會生成熱影響區(qū)。

    除了加工過程中基本沒有熱影響區(qū)，超快加工的另一個主要優(yōu)點是它適用的材料范圍非常廣泛，包括幾種寬禁帶材料（例如玻璃和某些聚合物），這類材料線性吸收和光吸收很低，因此很難用現(xiàn)有的商業(yè)化激光器來處理。具體來說，即使這些材料在激光波長范圍通常是透射的，這一“波長不可知”技術也可以誘發(fā)非線性吸收。 

   目前市面上的皮秒激光器的范圍通常從紅外到紫外。一般來說，紫外皮秒激光器在高精度和最小熱影響區(qū)方面有著最佳的表現(xiàn)。這是因為它們基本都是光化學燒蝕，而且還可以聚焦到最小的光斑尺寸（通過衍射）。從另一方面來說，紅外和可見光皮秒激光器通常會提供更大的輸出功率，從而帶來更高的處理速度。 

    皮秒激光體系結(jié)構(gòu) 

    雖然目前市面上的工業(yè)超快激光器在形式和結(jié)構(gòu)上多種多樣，但是它們都有著同樣的基本配置。具體地說，通過被動鎖模振蕩來輸出10皮秒或者更短的脈沖，這個是驅(qū)動光化學燒蝕的必要條件。然而，大多數(shù)鎖模振蕩器產(chǎn)生的脈沖相對來說能量較低，重復頻率在數(shù)十兆赫。這一太高的重復頻率無法用現(xiàn)有的掃描技術來處理，所以用脈沖選擇器來提取這些脈沖中的一小部分，然后通過放大器來放大這些脈沖的能量，再進行最終的輸出。 

    大多數(shù)商業(yè)皮秒產(chǎn)品都基于以下體系結(jié)構(gòu)之一： 

    • 光纖振蕩器加光纖或棒狀光纖放大器， 

    • 光纖振蕩器加自由空間放大器， 

    • 二極管泵浦固態(tài)振蕩器加自由空間放大器。 

    全光纖振蕩器加放大器方案的優(yōu)勢是成本相對較低。不足之處是非線性、散射以及光纖放大器中的一些其他效應限制了單位脈沖能量的最大值，這個數(shù)字是10μJ（在10皮秒脈沖時）。因此，獲得高平均功率的唯一方法就是提高重復頻率，而這一方法在光束傳導系統(tǒng)方面遇到了難題，因為大多數(shù)光束偏轉(zhuǎn)機制，例如振鏡掃描，都不夠快，以避免單個脈沖在工件表面重疊。例如，直徑為50μm的焦點光斑，脈沖重復頻率為1MHz，掃描速度需要達到50m/s才能避免脈沖重疊，這一速度很少能做到。結(jié)果是加工處理速度受到了限制。 

    為了實現(xiàn)大部分應用所需要的更高的脈沖能量，可以用光纖振蕩器匹配自由空間放大器。例如，Coherent公司的Talisker激光器就使用了這種方法。由于種子源的輸出能量相對較低，所以需要使用再生放大器。在再生放大器中，脈沖被極大地放大，同時光束的性能和質(zhì)量被很好地保持下來。通過這種設計，Talisker激光器可以提供180μJ的脈沖能量（在1064nm和200kHz下）。

    第三種方法是使用半導體泵浦固態(tài)振蕩器，這種方法可以產(chǎn)生更高的脈沖能量。然后是自由空間放大器，通常是再生放大器或多級放大器。事實上，可以使用多個放大器階段來把功率提升到更高水平。例如，Coherent公司2012年收購Lumera Laser公司后獲得的產(chǎn)品就是在Nd:YVO4種子源后加入了一個或多個放大器，使Lumera激光器的脈沖能量高達200μJ(在1064nm)。表1總結(jié)了靈活的模塊化體系結(jié)構(gòu)分別使用一級、兩級或三級放大器后可以獲得的最大平均功率。 

    這一產(chǎn)品使用了瞬態(tài)多級放大器，這是因為它在這種情況下具有多個優(yōu)勢。尤其是與再生放大器相比，瞬態(tài)放大器能提供更高的重復頻率，并且能更靈活地調(diào)整重復頻率(在這種情況下包括從單脈沖至2兆赫）。 

    瞬態(tài)放大器結(jié)構(gòu)的另一個極為重要的優(yōu)勢是，它支持“脈沖串模式”操作，即脈沖選擇器可以傳遞一串連續(xù)脈沖(通常可達10個），而不只是單脈沖。這一整串脈沖可以在后續(xù)階段被放大。 

    這一模式的優(yōu)點是，在某些情況下，它可以大大提高某一平均激光功率下的燒蝕率（每單位時間去除材料的量）。例如，實驗表明，重復頻率為1MH時，當一串5個脈沖通過放大器時，與單個脈沖相比，前者可以增加5～10倍燒蝕率。每種情況下產(chǎn)生的平均功率是類似的，而且實際上，脈沖串模式下的每脈沖能量較低（因為放大器增益被分配到幾個脈沖中)。然而，當脈沖的間距較小時，燒蝕率并不線性地取決于脈沖能量。 

    燒蝕率的確切機制仍在研究中，但目前有一些新興的受到推崇的理論。它認為，在脈沖之間只有20納秒左右間隔時，材料沒有時間放松，仍然會處于“預處理”狀態(tài)，這就使得脈沖串中隨后的脈沖可以實現(xiàn)更大的材料去除，盡管能量較低。 

    該模式可以極大地開辟超快微加工的參數(shù)空間。事實證明它在那些有自由電子的材料上能發(fā)揮最大的作用，例如鋼、硬質(zhì)合金和硅等材料。而對于包括陶瓷和玻璃在內(nèi)的那些介質(zhì)材料，它的優(yōu)勢很小，甚至基本沒有。