飛秒激光怎樣實現冷加工？

01-14

光學前沿

我以前模擬過激光和物質相互作用。

這問題最好的理論模型是所謂的雙溫模型，這個模型把電子的溫度和晶格的溫度分開來看，電子吸收激光，電子和晶格之間互相傳熱，晶格和電子也向周圍傳熱。

由於飛秒激光脈寬短，被激光照射的已經很熱的電子們居然還沒能把能量很多滴傳給晶格和周圍，自己就被電離了，等離子體很快形成，甚至產生微爆炸，自己飛出去了，帶走了能量，保護了他的鄰居們。

飛秒加工的實驗我也做過，隔著護目鏡能看到加工表面一片懸浮的有色彩的等離子體(真實顏色不詳，因為護目鏡有一定濾光作用)，而加工過的牛骨頭表面都是很白的。還有一條條激光掃過的痕迹。

任何加工問題的實質都是熱的問題，根據不同的激光脈衝寬度，加工和的機制不同。納秒級脈衝熱量有充分時間擴散，所以有熱損傷區。皮秒飛秒時間短，瞬時功率強，直接氣化所以熱損傷區小。但即使是飛秒，能量也會從電子震蕩轉移到晶格（對於金屬），所以10皮秒以下的脈衝加工效果相差不大。

以上僅為最普遍的解釋，實際上不同加工材料，形狀都會對脈衝寬度有不同的敏感程度。

從實際應用角度，最先進的工業級飛秒激光大概百飛秒量級，但價格極高，維護也有要求。因此一般工業還是用更加成熟的皮秒激光器。

目前市場主流還是國外的產品，國內很多人在做，我就是其中之一。市場前景不錯，但技術要求高，尤其是要達到工業級穩定性和提高壽命方面比較難。

感覺上面回答的都挺相對較為片面，我來補充一發：

1、飛秒概念：首先飛秒都是屬於「時間」概念，縮寫為fs；是屬於短於「秒」的單位，具體換算如下：

毫秒（ms） ——微秒（us） —— 納秒（ns） ——皮秒（ps）——飛秒（ps）—— 阿秒（as） ——千分之一阿秒（zs）——瞬間（js） —— YS（ys） ——普朗克常數（h）

2、冷加工的概念：（cold working of metal）屬於冶金領域用詞，常規情況下是指金屬材料在低於回復溫度進行塑性變形的加工工藝，如冷軋、冷拔、冷鍛、衝壓、冷擠壓等常規冷加工工藝；從實用角度來講所謂的冷加工具有以下幾個特點，A/可以獲得很好的尺寸公差和表面光潔度；B/部分材料只能進行有限程度的冷加工，因為他們在室溫下表現為脆性狀態；C/冷加工削弱了延展性、導電性和耐腐蝕性，例如常用的電纜、導線的加工方式都為冷拔，因為冷加工過程中帶來的導電性減小程度遠遠小余其他強化加工的方式；D/冷加工過程中如果控制好材料的方向異性特性和殘餘應力的話基本可以忽略不計因為加工而帶來的材料性能降低；例如超快激光在陶瓷、玻璃基地的材料上機型鑽孔工藝等；

3、激光加工中的脈寬概念：在激光加工領域中主要考量的除了所使用的激光能量、功率、強度（或者稱謂功率密度）之外還有一個非常關鍵的指標就是——脈衝間隔，而所謂的脈衝間隔是指用於加工的激光光源在脈衝模式情況下，增益介質在短時間內被泵浦以產生短的激光脈衝串（或單個脈衝，但是這種情況極為少見），而每一個激光脈衝串（或單個脈衝）都包含了特定的能量（能量=功率*脈寬）；而在工業加工領域中因為激光脈衝的寬度和應用材料和領域是精確匹配的，例如常規的金屬材料鑽孔和燒蝕去除需要10KW或者更高的脈衝功率，而相對於金屬材料的切割來說幾千瓦就足夠了；結合在實際加工過程中因為加工材料和加工效率的原因，就不能單純的考慮脈衝能量的因素了，另外一個關鍵因素就是脈衝之間的間隔寬度，而這個脈衝寬度就是一個時間數值來進行表示了，因為這個脈衝寬度對於激光加工的影響非常之大，所以工業激光加工中就以這個脈衝寬度來表示激光加工過程中的激光器脈衝間隔「級別」的這個概念，例如市場上被廣泛宣傳的「納秒打標機」、「皮秒切割機」、「飛秒眼科手術」等等；所以這裡的飛秒就是指代加工過程中使用激光光源（常規就是指激光器）的脈衝寬度是fs量級的。

4、飛秒和冷加工的關係：實際上飛秒的冷加工是相對於激光加工中的納秒（ns）/皮秒（ps）而言的，因為經過長期實驗研究證明當脈衝寬度在10Hz左右的低重複頻率脈衝串的情況下，激光加工給被加工工件帶來的熱影響已經大大的減小工件的受熱，也就是說在熱量可以在脈衝間隔的時間內得以耗散掉，所以在目前的激光工業加工領域按照脈衝寬度定義了「短脈衝」和「超短脈衝」激光器的概念，業內普遍認為脈衝寬度小餘10ps時激光最事宜進行微加工，因為在10ps量級的情況下金屬材料的激光加工所帶來的熱影響已經微乎其微了，而且在透明材料中會發生非線性吸收；所以在飛秒量級的激光光源中，因為單脈衝能量已經遠遠超出材料的閾值，所以材料得以瞬間氣化，但是因為作用於工件材料的時間極短所以氣化過程中的熱量來不及傳導到材料周邊造成熱影響所以使用飛秒激光器在工業加工中被視為冷加工。

附圖一：納秒與飛秒加工的比較示意；

附圖二：納秒與皮秒、飛秒在相同實驗平台上切割材料的效果比較

附圖三：國外飛秒激光器外形圖（以 Spectra-physics為例）

附圖四：國內飛秒激光器外形圖（以銦尼鐳斯為例）

飛秒激光目前的常規應用：

飛秒激光目前已經廣泛應用於工業微納加工、醫學、生物成像、以及科學等各個領域；目前主要產品基本依賴國外進口產品為主；國內部分企業已經開始涉足飛秒激光器的研發和小批量量產工作；

微納加工方向：

平板顯示器製造

薄膜微加工

雙光子聚合

精密硬脆材料打孔，切割

醫學應用方向：

醫療器械製造-例如冠脈支架切割

飛秒激光眼科手術

生物成像應用方向：

多光子顯微鏡檢查

多模態成像

CARS/SRS

SHG/THG

OCT

STED

科研研究應用方向：

多維光譜學

太赫茲光譜學

相干控制

CARS/SRS

熒光上轉換

瞬態吸收

多次諧波的產生，EUV備註說明：

1、部分內容及材料引用自通快《THE LASER ASATOOL》，張志剛教授《飛秒激光技術》

2、部分圖片摘抄自網路及Spectra-physics、銦尼鐳斯官網

3、若有錯誤或侵權煩請私信告知修訂。

河南痞子周說的內容基本已經完整了。

唯一要補充的是物理解釋為什麼飛秒下「周邊材料來不及反應」

1. 飛秒尺度下還沒有建立熱平衡，所以熱量無法傳導出去

2. 即使建立了非穩態的熱量傳導，比如電子動能傳導到晶格，傳熱的時間尺度也很短，根據一般的硅熱導率1*10^-4 m^2/s, 在1ns下熱影響距離是 Sqrt(10^-4*10^-9)=0.3um左右，對於微納加工還是很明顯的，但是飛秒是Sqrt(10^-4*10^-16)=0.1nm，對於微納加工就看不出區別了。

最近幾年，皮秒和飛秒激光器還算熱，發展趨勢還是比較好的。但是國內的就不敢恭維了。一般的激光器作用都是熱作用，利用激光的高熱量將體材料融化（快速蒸發），比如說激光焊接、激光打標、激光覆融等。

皮秒和飛秒的不同於一般激光器在於它的脈衝寬度特別窄，一萬億分之一秒到一千萬億分之一秒之間的脈衝時間，可見其擁有極高的峰值功率，此時與材料的作用已不僅僅是簡單的熱作用，而是這種熱只集中在作用區域，高能量可在瞬間將材料快速汽化蒸發，幾乎不會出現熱擴散，所以最近幾年在微細加工、冷加工方面熱了起來，但是設備比較貴，所以國內的廠家也開始了國產化的道路，期待有更大發展。

這不是一個簡單的問題.

冷加工其實是說,在超快激光打到工件上時,對於完成加工任務之餘,所產生的額外的熱效應較小.

自然而然的,我們需要考慮激光能量的分配問題,以及超快激光加工的物理機理.

三個關鍵詞: 燒蝕閾值,雪崩電離,時間尺度

不說了,點到為止.

能具體談一下飛秒激光嗎？這項技術在該領域發展成熟嗎？