曾經(jīng)是資金豐厚的研究實(shí)驗室專屬的飛秒激光器，如今正開始在一系列工業(yè)微細(xì)加工應(yīng)用中日漸受到歡迎。根據(jù)應(yīng)用或材料的不同，融合了飛秒激光器的微型加工設(shè)備為制造商提供了以更有利可圖的方式加工更小、更薄部件的手段，以滿足消費(fèi)電子、醫(yī)療、汽車市場以及其它眾多市場的需求。推動這種趨勢的是越來越小、功率更強(qiáng)大、涵蓋的波長范圍更廣，而價格卻變得更低的飛秒激光器。
超快脈沖激光器通常脈沖長度小于1納秒。飛秒激光器則更進(jìn)一步，可以在30飛秒至800飛秒的周期內(nèi)產(chǎn)生高品質(zhì)的超快脈沖。在人類看來，這個時間究竟有多短呢？一種方法是比較激光器開啟和關(guān)閉的時間。常規(guī)使用模型一般是100飛秒的激光脈沖，重復(fù)頻率為100KHz。如果將100飛秒轉(zhuǎn)化為1秒，相當(dāng)于下一個脈沖要在3.5年后才發(fā)生！因而，這有效地將熱量對材料產(chǎn)生影響的時間縮短到最低限度，并最大程度地延長了材料的熱釋放時間。
與其它類型的激光器相比，飛秒激光器具有諸多優(yōu)點(diǎn)。其關(guān)鍵是熱影響區(qū)域(HAZ)一般會比納秒或皮秒激光器更?。▓D1）。周邊區(qū)域沒有熱損傷的消融工藝（被稱為冷消融）被指定用于加工支架，同時也被用來改善汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品的強(qiáng)度和品質(zhì)當(dāng)加工用于手機(jī)、平板電腦或可穿戴設(shè)備用的硬化玻璃等脆性材料時，這一工藝可以最大限度地減少微裂紋的形成。
圖1：用飛秒激光器在不銹鋼樣品(a)上加工槽口。
不需要進(jìn)行后續(xù)加工，因為熱影響區(qū)域（HAZ）幾乎可以忽略不計。
用納秒激光器加工的樣本(b)會出現(xiàn)較大的模糊區(qū)域，需要進(jìn)行額外的加工。
不需要進(jìn)行后續(xù)加工，因為熱影響區(qū)域（HAZ）幾乎可以忽略不計。
用納秒激光器加工的樣本(b)會出現(xiàn)較大的模糊區(qū)域，需要進(jìn)行額外的加工。
飛秒激光器的另一個優(yōu)勢源于其所具有的高強(qiáng)度（超過1012W/cm2）幾乎能在原子水平上分割材料。本質(zhì)上，這會形成微等離子體，而材料也在由此產(chǎn)生的擴(kuò)張作用下被去除。結(jié)果是產(chǎn)生的碎屑很少，有利于高縱橫比深孔鉆削加工等應(yīng)用。
超薄及難加工材料的加工
具有各種形狀和尺寸的現(xiàn)代顯示器采用薄玻璃板、薄膜、鋁箔來打造顯示器的結(jié)構(gòu)，同時還包括偏光鏡、彩色濾光片、防護(hù)玻璃罩和觸摸屏。激光器提供了通過可重復(fù)、無接觸的加工手段來加速工藝流程以及提高生產(chǎn)率的方式。同時，激光器的運(yùn)用還使得新產(chǎn)品能夠接軌超薄玻璃、保形切割或全新材料組合等多種新趨勢。
氮化鋁、氧化鋁、氮化硅和氧化鋯等陶瓷材料已成為在很多領(lǐng)域頗受歡迎的高性能材料。它們具有很好的電氣絕緣性能，同時耐高溫，因而成為手機(jī)天線及高性能發(fā)光二極管（LED）封裝等產(chǎn)品不可分割的一部分。
鉆削和切割陶瓷是飛秒激光器彰顯卓越性能的一個領(lǐng)域。生產(chǎn)商可以獲得高品質(zhì)的幾何形狀。所加工的孔具有精密的形態(tài)、光滑的內(nèi)壁，最大限度地降低了表面碎屑的產(chǎn)生（圖2）。由于后續(xù)加工需求很少甚至可免，飛秒激光器往往能夠大幅提高生產(chǎn)率以及降低生產(chǎn)成本。
圖2：這個不銹鋼箔上清潔、無碎屑的切割孔凸顯了飛秒激光器對薄型材料加工的優(yōu)勢。
在強(qiáng)化玻璃產(chǎn)品的加工方面，飛秒激光微細(xì)加工設(shè)備可以很容易地實(shí)現(xiàn)對于機(jī)械系統(tǒng)來說極具挑戰(zhàn)的高品質(zhì)直線切割、曲線切割和內(nèi)部切割。高峰值功率的飛秒激光器可實(shí)現(xiàn)高速加工，并且提供出色的邊緣質(zhì)量和強(qiáng)度。
薄型材料的去除
集成電路復(fù)雜性和密集度的提高，給半導(dǎo)體行業(yè)帶來了新的加工挑戰(zhàn)。如，半導(dǎo)體晶圓的厚度在持續(xù)變薄，材料使用更多樣化，尺寸更小型化。所有這些特征將傳統(tǒng)制造方法逼到了極限的邊緣。
由于能實(shí)現(xiàn)所要求的材料加工品質(zhì)和精度，超快激光器成為這些新應(yīng)用的首選工具。例如，在選擇性激光燒結(jié)加工中，有可能在不影響底層的情況下，切除厚度僅為十分之幾納米的極薄的一層材料。
盡可能降低對打標(biāo)和雕刻的影響
采用標(biāo)準(zhǔn)和防偽解決方案實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品商標(biāo)識別和可追蹤性對于現(xiàn)代制造手段而言是十分必要的。就很多應(yīng)用而言，對材料內(nèi)部進(jìn)行激光打標(biāo)是非常有吸引力的解決方案。但是，對于低脈沖激光系統(tǒng)來說，打標(biāo)激光器的脈沖周期足以引發(fā)材料因受熱而產(chǎn)生微裂紋，從而影響品質(zhì)和長期可靠性。相較之下，飛秒激光器在很短的脈沖周期內(nèi)積聚了能量，熱量不會傳遞到周邊材料上。激光打標(biāo)過程因而也不會受到熱量影響，微裂紋便不會形成（圖3）。
圖3：在100微米的鈷鉻（CoCr）線纜上的這些盲孔顯示，飛秒激光器可以消融表面，并且不會出現(xiàn)微裂紋
與其它技術(shù)相比，激光打標(biāo)有諸多優(yōu)勢，包括外觀更一致、耐久性好，容易使用。激光打標(biāo)可以獲得美觀的效果，主要是因為可以產(chǎn)生色彩對比度高、光學(xué)密度均勻的標(biāo)記。根據(jù)加工類型和材料的不同，可以形成深黑色和亮白色的激光標(biāo)記。耐久性和外觀質(zhì)量對于頻繁使用的產(chǎn)品如智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備來說尤其重要。飛秒脈沖長度通過減少表面影響，擴(kuò)大了激光打標(biāo)的應(yīng)用范圍，并可用于薄型材料。
金屬表面材料的精密去除工藝是讓打標(biāo)產(chǎn)品在視覺上產(chǎn)生對比效果的一種常用方法。飛秒激光器由于峰值功率高，可以對許多材料進(jìn)行高效雕刻，并可以有效提高功率，同時保持表面質(zhì)量。由于熱量不會積聚在材料內(nèi)部，因此可對具有不同表面機(jī)理的材料進(jìn)行不同深度的高品質(zhì)加工，賦予產(chǎn)品與眾不同的外觀。
飛秒激光工具解決方案
不管是什么應(yīng)用，或激光脈沖周期如何，激光器成功實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工涉及精密定制激光脈沖周期和功率密度等諸多要素，以獲得預(yù)期效果。這需要深刻了解激光器與材料的相互作用機(jī)制，以調(diào)整變量如脈沖長度、脈沖能量、光斑大小，激光技術(shù)或其它因素。當(dāng)根據(jù)手頭的任務(wù)對這些因素進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整后，飛秒激光工具便可以成為許多應(yīng)用的首選工具。
如果需要選用飛秒激光器，要尋找對激光器與材料特性具有豐富知識，并且能對短期、大量應(yīng)用提供支持的供應(yīng)商。許多制造商錯誤地認(rèn)為，所有激光器都是相同的。而事實(shí)上，由于光學(xué)器件略有不同，每一個激光器都與其它激光器在功能方面略有不同。因此，生產(chǎn)線中的每一個工具都應(yīng)由激光工具供應(yīng)商進(jìn)行精確校準(zhǔn)，以調(diào)整這些變量，確保結(jié)果穩(wěn)定一致。
就像超快激光器可以輕輕碰觸表面一樣，我們還未全面發(fā)現(xiàn)并挖掘飛秒激光器所有潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。但有一點(diǎn)是可以肯定的，隨著系統(tǒng)和設(shè)備愈發(fā)趨向小型化和復(fù)雜化，飛秒激光器將越來越多地被應(yīng)用到這類產(chǎn)品的加工中去。
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