自1985年啁啾脈沖放大技術發(fā)明以來，許多研究小組對強飛秒激光脈沖與物質的相互作用進行了廣泛的研究。通過這些研究，目前利用飛秒激光技術進行高精度材料加工的過程已經在工業(yè)界找到了創(chuàng)新性的應用機會。與傳統(tǒng)激光器相比，飛秒激光材料加工技術可以顯著減少材料上的熱效應。這是因為飛秒激光脈沖將能量傳導到材料中所需要的時間比光電耦合的時間要短，能量還來不及被擴散到周圍媒介中，受熱的材料就已經被噴射出來了。 此外，飛秒激光脈沖聚焦后所具有的光強峰值高，因此，它不只可以加工透明材料的表面，也能夠進行內部結構的加工。與傳統(tǒng)激光加工技術相比，飛秒激光加工技術的這些優(yōu)勢為它開拓了廣泛的應用前景。 表面納米級周期結構的加工 最近的研究指出，利用飛秒激光器來進行表面納米級周期結構的加工有助于材料表面的功能化。當飛秒激光對材料表面進行輻照時，具有亞微米級周期率的納米級周期結構能夠以一種自組裝的方式自動生成。圖1給出了在硅晶圓上所形成的這類結構，而這種結構還可以在金屬、陶瓷材料、半導體和玻璃等材料中形成。這項技術的主要應用包括：減小精密滑動零件的摩擦損耗，比如汽車引擎元件；改善涂層的粘結強度；防止微粒的吸附；控制濕潤性。佳能機械公司制造并銷售一種飛秒激光表面加工系統(tǒng)——Surfbeat R，它配備了Cyber激光公司的工業(yè)級飛秒激光器IFRIT。 平面顯示器的切割過程 新一代平面顯示器要求玻璃的切割過程采用加工速度快且質量高的激光技術。這是因為使用傳統(tǒng)的金剛石刀片切割技術很難提高產量。使用這項新型玻璃切割技術時，飛秒激光脈沖被聚焦到玻璃基底的后表面來進行刻線。因為激光的脈寬短，所以激光能量被局域空間的非線性電離過程吸收，從而能夠對玻璃的后表面進行加工，而不影響前表面。在后表面附近聚焦的飛秒激光脈沖在玻璃基底內產生了小孔，這些小孔一直延伸到后表面上。對沿著切割線的小孔進行排列，玻璃基底在機械應力或者熱沖力作用下很容易斷開。 速度超過400mm/s的高速玻璃切割已經在無堿玻璃和硼硅玻璃中得到了成功的實踐，所使用的是新開發(fā)的重復頻率為50kHz、功率為5W的飛秒激光器。這項技術也可以被用于雙層玻璃基底的切割。 雙波長式材料加工技術 對于透明材料的微加工來說，使用深紫外（DUV）飛秒激光比近紅外（NIR）飛秒激光更有利，因為許多透明材料對DUV的吸收很強，而且，飛秒激光所具有的超短脈寬能夠避免不必要的熱效應。但是，從基頻光到DUV飛秒激光的轉換效率很低，這就給加工速度帶來了限制。最近開發(fā)的雙波長式飛秒激光技術能夠克服這個困難。該技術使用了雙脈沖式的飛秒激光，它包括了波長260 nm的DUV預脈沖和隨后波長為780 nm的NIR主脈沖，該技術既提高了燒蝕效率，又改善了燒蝕質量。260 nm DUV預脈沖的作用是產生電子—空穴等離子體，以提高材料對于預脈沖后780 nm NIR主脈沖的吸收率，同時預脈沖還能夠降低780 nm脈沖相對于作用區(qū)域的透射率。 圖4給出了分別由NIR飛秒激光和雙波長式飛秒激光脈沖在硼硅玻璃表面得到的刻槽。使用780nm NIR飛秒激光進行燒蝕得到的材料表面上可觀察到微裂痕，亞表面則有破壞現(xiàn)象（如圖4a）。而另一方面，如果使用雙波長式飛秒激光來進行燒蝕，燒蝕質量和效率可以得到顯著的提高（如圖4b）。這里，260 nm DUV預脈沖780 NIR主脈沖之間的時間間隔是0 ps。260nm DUV預脈沖和780 nm NIR主脈沖之間時間間隔的最佳值是由能量沉積和耗散之間復雜的相互關系來決定的，因此它取決于材料的類型。與僅使用NIR飛秒激光相比，其燒蝕體積提高了近十倍。 對于圖4的情況來說，260nm DUV預脈沖和780 nm NIR主脈沖的能量沉積分別是由于線性吸收和雙光子吸收。這項技術可以被用來加工帶隙較寬的材料，因為260nm脈沖的能量沉積是以非線性的方式進行。 到目前為止，在近紅外飛秒激光對透明物質的燒蝕過程中，燒蝕質量和效率之間是相互制約的。但是，雙波長式飛秒激光技術能夠同時改善這兩個方面。目前，這項新穎的飛秒激光燒蝕技術被應用在基底材料上絕緣層的修整和微流體設備的制作，在這些加工過程中，高功率和高質量是非常重要的。 飛秒激光解決方案 在2004年，Cyber公司生產的IFRIT飛秒激光器（180 fs，1 mJ，1 kHz）能夠正常運轉的時間超過10000小時，并且無需任何維護。為了進一步保障其穩(wěn)定性，激光器還配備了一套自動化功率管理系統(tǒng)（APMS），該系統(tǒng)能夠對激光輸出功率進行自動調整。該激光器即使在環(huán)境變化的情況下，如溫度和濕度，也能維持穩(wěn)定的激光輸出功率。對于需要更高輸出功率的情況，高功率、 50kHz、5W的飛秒激光器也已實現(xiàn)商業(yè)化。IFRIT激光器用戶可享有Michigan大學第3283265號專利的使用授權。