高功率皮秒/飛秒激光器開(kāi)創(chuàng)應(yīng)用新天地

　　用超短脈沖激光實(shí)現(xiàn)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(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的一個(gè)愿景。在過(guò)去十年間進(jìn)行的一些早期實(shí)驗(yàn)中，人們用鈦藍(lán)寶石放大器產(chǎn)生超快激光，這些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了超短激光脈沖在精密機(jī)械加工領(lǐng)域所擁有的巨大潛能。但是對(duì)于精密機(jī)械加工而言，到底多短的脈沖才能滿足精密加工的要求呢？當(dāng)激光脈沖作用到材料上時(shí)會(huì)發(fā)生怎樣的反應(yīng)？對(duì)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(duì)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(zhuǎn)移到金屬材料的電子的一個(gè)能量轉(zhuǎn)移過(guò)程。對(duì)于持續(xù)時(shí)間為納秒級(jí)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(zhuǎn)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(duì)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)始向周圍的晶格擴(kuò)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(nèi)，但稍有些延遲，熱電子和晶格之間發(fā)生了突然的能量轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)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(jié)論：

　　1、激光脈沖的持續(xù)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(duì)于金屬和大多數(shù)其他材料而言，均要求脈沖持續(xù)時(shí)間在1~10ps之間甚至更短。

　　2、由于在熱擴(kuò)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(kuò)散情況下進(jìn)行加工，這要求脈沖持續(xù)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(xù)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如果熱電子因?yàn)檫^(guò)高的激光能量密度而被“過(guò)度加熱”，那么熱擴(kuò)散效應(yīng)將較為明顯，整個(gè)加工過(guò)程則會(huì)轉(zhuǎn)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(cè)量得到的熱效應(yīng)的最佳能量臨界點(diǎn)，即此時(shí)具有最佳的低熱穿透深度。

　　線性吸收與非線性吸收

　　然而要實(shí)現(xiàn)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(duì)于溫和消融而言，光穿透深度應(yīng)該在1micro;m的區(qū)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?yàn)槠鋵?dǎo)致粗糙的表面和邊緣，特別是對(duì)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?yàn)榇蠖鄶?shù)激光脈沖可能不能被吸收，能量浪費(fèi)較大。

　　3、針對(duì)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性吸收所產(chǎn)生的影響往往被忽視，因?yàn)槊}沖的峰值功率非常高，以至于貫穿多光子過(guò)程的非線性吸收相對(duì)于線性吸收來(lái)講占據(jù)了主導(dǎo)地位。如果上述情況的脈沖持續(xù)時(shí)間和能量密度的邊界條件都得以滿足，那么這種說(shuō)法往往會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。

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

圖1 硅對(duì)能量密度為1J/cm2的激光脈沖的吸收曲線

　　對(duì)于脈沖持續(xù)時(shí)間為6ps的脈沖（左圖），線性吸收超過(guò)了非線性吸收占據(jù)主導(dǎo)地位。即使持續(xù)時(shí)間為500fs（右圖）的脈沖，其非線性吸收也非常，以至于無(wú)法達(dá)到想要的1μm級(jí)的光學(xué)穿透深度。

　　選擇一個(gè)紫外波長(zhǎng)，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(zhǎng)可能就足以滿足要求。

　　具有適當(dāng)能量密度與波長(zhǎng)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(yīng)用。此外，對(duì)于皮秒脈沖的持續(xù)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(diào)整），對(duì)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(duì)于工業(yè)微加工領(lǐng)域一種具有成本效益的應(yīng)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(jié)合

　　20世紀(jì)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(duì)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(jì)90年代獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，使其成為了工業(yè)領(lǐng)域千瓦級(jí)連續(xù)應(yīng)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(tǒng)的棒狀激光器技術(shù)更為優(yōu)越，因?yàn)樗鼈儾捎昧吮燃す饧せ铙w更大的散熱面，使TEM00連續(xù)運(yùn)作的功率水平能達(dá)到500W甚至更高。在同等的亮度下，細(xì)小的光纖芯徑使得光纖激光器內(nèi)的激光強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碟片激光器。

　　然而，當(dāng)放大皮秒脈沖和飛秒脈沖時(shí)，高光強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致非線性效應(yīng)，如自相位調(diào)制或拉曼散射，這需要在超快光纖放大器中增加復(fù)雜的啁啾脈沖放大，或?qū)⒖色@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?qū)崿F(xiàn)高峰值功率（高達(dá)100MW）和低光強(qiáng)，并且不會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)。

　　為了實(shí)現(xiàn)具有高脈沖能量（高達(dá)250μJ）和高平均功率（高達(dá)100W）的皮秒激光器，需要使用具有以下獨(dú)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(shù)量級(jí)，達(dá)到紅外功率超過(guò)100W，綠光功率達(dá)到60W，脈沖頻率范圍200~800kHz，無(wú)需使用復(fù)雜的啁啾脈沖放大器。即使在這些功率水平，也能實(shí)現(xiàn)M21.3的卓越光束質(zhì)量。此外，對(duì)于激光器的每個(gè)可選的參數(shù)組合，其輸出光束質(zhì)量均能保持上述水平。

　　到達(dá)工件的功率

　　利用超快激光實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工，最主要的任務(wù)是操縱激光束，并將激光功率轉(zhuǎn)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(gòu)建最終的加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)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)程還需要考慮線性或旋轉(zhuǎn)加工。無(wú)論是最先進(jìn)的線性加工，還是掃描儀，都沒(méi)有動(dòng)態(tài)應(yīng)用超過(guò)1MHz的脈沖頻率，盡管激光技術(shù)可能為這方