高功率皮秒/飛秒激光器開(kāi)創(chuàng )應用新天地

　　用超短脈沖激光實(shí)現冷消融、冷切割和冷鉆孔，是二十多年來(lái)人們一直期望能夠在工業(yè)應用中實(shí)現的一個(gè)愿景。在過(guò)去十年間進(jìn)行的一些早期實(shí)驗中，人們用鈦藍寶石放大器產(chǎn)生超快激光，這些實(shí)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(mǎn)足精密加工的要求呢？當激光脈沖作用到材料上時(shí)會(huì )發(fā)生怎樣的反應？對脈沖與材料的作用時(shí)間范圍有何要求？

　　作用原理、作用時(shí)間、能量密度

　　以金屬對激光脈沖的吸收為例，其從根本上說(shuō)是能量從激光脈沖轉移到金屬材料的電子的一個(gè)能量轉移過(guò)程。對于持續時(shí)間為納秒級的脈沖而言，電子與所處晶格之間會(huì )發(fā)生一個(gè)溫度平衡過(guò)程，并且最終開(kāi)始融化材料，直到部分蒸發(fā)。

　　在這個(gè)過(guò)程中，脈沖越短，能量轉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(méi)有足夠的時(shí)間產(chǎn)生溫度平衡。接下來(lái)，“熱電子”（相對于冷晶格而言）有兩種方式與晶格作用：在一個(gè)特征時(shí)間后，來(lái)自電子的熱量開(kāi)始向周?chē)木Ц駭U散。這種電子-聲子弛豫時(shí)間是物質(zhì)的一種屬性，其典型值為1~10ps。在大致相同的時(shí)間范圍內，但稍有些延遲，熱電子和晶格之間發(fā)生了突然的能量轉移，從而導致相位爆炸，即激活體的蒸發(fā)。

　　從上述解釋可以得出以下兩個(gè)基本結論：

　　1、激光脈沖的持續時(shí)間必須足夠短，以防止電子與晶格之間發(fā)生溫度平衡過(guò)程。對于金屬和大多數其他材料而言，均要求脈沖持續時(shí)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(gè)時(shí)間延遲，因此始終會(huì )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(jìn)行加工，這要求脈沖持續時(shí)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時(shí)間是冷加工的一個(gè)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(guò)高的激光能量密度而被“過(guò)度加熱”，那么熱擴散效應將較為明顯，整個(gè)加工過(guò)程則會(huì )轉變?yōu)闊徇^(guò)程。一般來(lái)講，大約1J/cm2的能量密度，是用皮秒/飛秒激光脈沖進(jìn)行消融加工、而不會(huì )產(chǎn)生能夠測量得到的熱效應的最佳能量臨界點(diǎn)，即此時(shí)具有最佳的低熱穿透深度。

　　線(xiàn)性吸收與非線(xiàn)性吸收

　　然而要實(shí)現最佳能量臨界點(diǎn)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(gè)部分在什么深度被吸收。

　　對于溫和消融而言，光穿透深度應該在1micro;m的區域甚至更淺，這主要有三個(gè)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，因為其將導致粗糙的表面和邊緣，特別是對于硬而脆的材料而言，還會(huì )有微裂紋產(chǎn)生。

　　2、若光穿透深度過(guò)大，消融過(guò)程將變得效率低下，因為大多數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(yáng)能電池的絕緣體上的薄膜刻圖），光的穿透深度過(guò)大可能造成基底材料的損害。

　　飛秒脈沖和皮秒脈沖的線(xiàn)性吸收所產(chǎn)生的影響往往被忽視，因為脈沖的峰值功率非常高，以至于貫穿多光子過(guò)程的非線(xiàn)性吸收相對于線(xiàn)性吸收來(lái)講占據了主導地位。如果上述情況的脈沖持續時(shí)間和能量密度的邊界條件都得以滿(mǎn)足，那么這種說(shuō)法往往會(huì )產(chǎn)生誤導。

　　為了直觀(guān)地說(shuō)明這一點(diǎn)，圖1給出了硅對能量密度為1J/cm2的脈沖的吸收曲線(xiàn)。 對于持續時(shí)間為6ps甚至是更寬的脈沖，線(xiàn)性吸收都絕對超過(guò)非線(xiàn)性吸收占據了主導地位。即使脈沖持續時(shí)間為500　fs，這種狀況也不會(huì )改變：非線(xiàn)性吸仍然非常低，以至于無(wú)法達到想要的1μm級的光穿透深度。

圖1 硅對能量密度為1J/cm2的激光脈沖的吸收曲線(xiàn)

　　對于脈沖持續時(shí)間為6ps的脈沖（左圖），線(xiàn)性吸收超過(guò)了非線(xiàn)性吸收占據主導地位。即使持續時(shí)間為500fs（右圖）的脈沖，其非線(xiàn)性吸收也非常，以至于無(wú)法達到想要的1μm級的光學(xué)穿透深度。

　　選擇一個(gè)紫外波長(cháng)，使理論上的最佳性能與實(shí)踐中的（如用于硅片切割）相同。出于某種目的，在加工硅片中，使用綠光波長(cháng)可能就足以滿(mǎn)足要求。

　　具有適當能量密度與波長(cháng)的飛秒脈沖及皮秒脈沖，適合用于那些要求熱影響非常小的材料加工應用。此外，對于皮秒脈沖的持續時(shí)間而言，產(chǎn)生這些脈沖的技術(shù)方法可以大大簡(jiǎn)化。無(wú)需啁啾脈沖放大（CPA）的直接二極管泵浦和放大（功率調整），對于超短脈沖技術(shù)在工業(yè)市場(chǎng)的成功，是非常必需的。事實(shí)上，對于工業(yè)微加工領(lǐng)域一種具有成本效益的應用而言，必須將平均輸出功率增加到50W甚至更高。

　　光纖與碟片的結合

　　20世紀70年代棒狀激光器（開(kāi)始是燈泵浦后來(lái)是二極管泵浦）問(wèn)世。在超越高平均功率對光束質(zhì)量限制的同時(shí)，棒狀激光器、二極管泵浦碟片激光器技術(shù)均在20世紀90年代獲得了長(cháng)足發(fā)展，使其成為了工業(yè)領(lǐng)域千瓦級連續應用最可靠的技術(shù)選擇。

　　光纖激光器技術(shù)和碟片激光器技術(shù)比傳統的棒狀激光器技術(shù)更為優(yōu)越，因為它們采用了比激光激活體更大的散熱面，使TEM00連續運作的功率水平能達到500W甚至更高。在同等的亮度下，細小的光纖芯徑使得光纖激光器內的激光強度要遠遠高于碟片激光器。

　　然而，當放大皮秒脈沖和飛秒脈沖時(shí)，高光強會(huì )導致非線(xiàn)性效應，如自相位調制或拉曼散射，這需要在超快光纖放大器中增加復雜的啁啾脈沖放大，或將可獲得的最大脈沖能量限制在6μJ甚至更低。用碟片激光器技術(shù)作為皮秒脈沖的放大器，能夠實(shí)現高峰值功率（高達100MW）和低光強，并且不會(huì )產(chǎn)生非線(xiàn)性效應。

　　為了實(shí)現具有高脈沖能量（高達250μJ）和高平均功率（高達100W）的皮秒激光器，需要使用具有以下獨特配置的主振功率放大器：一個(gè)基于電信組件的被動(dòng)鎖模光纖激光器，作為一個(gè)單片集成的、具有成本效益的、可靠的光源，用于低功率和低脈沖能量皮秒脈沖的產(chǎn)生。

　　利用碟片激光器將光纖激光器的輸出功率放大5個(gè)數量級，達到紅外功率超過(guò)100W，綠光功率達到60W，脈沖頻率范圍200~800kHz，無(wú)需使用復雜的啁啾脈沖放大器。即使在這些功率水平，也能實(shí)現M21.3的卓越光束質(zhì)量。此外，對于激光器的每個(gè)可選的參數組合，其輸出光束質(zhì)量均能保持上述水平。

　　到達工件的功率

　　利用超快激光實(shí)現精細加工，最主要的任務(wù)是操縱激光束，并將激光功率轉換成最大的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。整個(gè)加工過(guò)程需要充分考慮工件的幾何特征以及加工精度等要求，構建最終的加工系統。該系統將需要一套的光學(xué)元件，如掃描儀、F-Theta透鏡、聚焦元件、波片、穿孔光學(xué)元件，以及許多其他元件。

　　整個(gè)加工過(guò)程還需要考慮線(xiàn)性或旋轉加工。無(wú)論是最先進(jìn)的線(xiàn)性加工，還是掃描儀，都沒(méi)有動(dòng)態(tài)應用超過(guò)1MHz的脈沖頻率，盡管激光技術(shù)可能為這方