文/Ron Schaeffer

圖1：高分辨率聚合物沉積的一個(gè)例子。（圖片來源：LightFab/Fraunhofer ILT）

超短脈沖（USP）激光器向工件發(fā)射光子，如果傳輸?shù)卯?dāng)，能夠?qū)崿F(xiàn)熱影響很小甚至是無熱的加工過程。這也是使用超短脈沖加工的一個(gè)主要好處。在過去的20年中，超短脈沖激光器作為一種工業(yè)加工工具開始快速發(fā)展，其主要用于切割和鉆孔應(yīng)用，特別是用于那些使用長(zhǎng)脈沖激光無法勝任的領(lǐng)域，或是需要大量昂貴的激光后處理的應(yīng)用。目前，人們正在研究將超短脈沖激光器用于一些不同的表面應(yīng)用領(lǐng)域，甚至是用于生產(chǎn)環(huán)境中。

一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域是增材制造。通常，人們認(rèn)為超短脈沖激光器并不適用于增材制造過程，因?yàn)樗鼈兊膬?yōu)勢(shì)是加工過程中不產(chǎn)生熱量。但是它們正被研究用于直接激光輔助沉積，以生產(chǎn)精確或敏感的部件；它們也被用于對(duì)激光輔助沉積制造的零件進(jìn)行精密后處理。例如，使用雙光子聚合技術(shù)，可以用丙烯酸樹脂打印3D結(jié)構(gòu)。使用市面上的軟件，可以實(shí)現(xiàn)非常快的打印速度。圖1顯示了在200mm/s的打印速度下制成的零件，零件的層高為1.5µm，打印的分辨率為2µm。

打標(biāo)仍然是大多數(shù)激光器的應(yīng)用市場(chǎng)。用于打標(biāo)的激光器和系統(tǒng)的售價(jià)往往較低，因此在打標(biāo)應(yīng)用中使用價(jià)格更昂貴的超短脈沖激光器，只能是在某些特殊應(yīng)用中，醫(yī)療設(shè)備的不銹鋼打標(biāo)就是這樣一個(gè)特殊領(lǐng)域。超短脈沖激光的打標(biāo)效果，比其他任何方法打標(biāo)的效果都要好，它甚至可以用來打出不同顏色的標(biāo)記，具體取決于激光條件。圖2顯示的是兩幅高度放大的圖像，圖中顯示了在不銹鋼表面上進(jìn)行白色和黑色飛秒標(biāo)記之間的差異。這個(gè)標(biāo)記是使用一種叫做BiBurst的功能產(chǎn)生的，它在同一工作中結(jié)合了兆赫和千兆赫的脈沖串（burst）。

圖2：在不銹鋼表面上進(jìn)行白色和黑色標(biāo)記的表面輪廓。（圖片來源：Light Conversion公司）

超短脈沖激光器的大部分應(yīng)用，仍然是在材料去除領(lǐng)域。例如，在模具生產(chǎn)中使用的滾筒表面的三維特征創(chuàng)建，就是超短脈沖激光器的一個(gè)巨大的市場(chǎng)領(lǐng)域。

另一個(gè)潛在的巨大應(yīng)用市場(chǎng)是創(chuàng)造具有某些親水（或疏水）特性的表面。這種特征的加工深度通常為幾微米到幾百微米，通過直接激光燒蝕的方法來創(chuàng)建。創(chuàng)建這些特征的過程并不復(fù)雜。然而，如何擴(kuò)大規(guī)模，以經(jīng)濟(jì)、精確地雕刻長(zhǎng)達(dá)數(shù)英尺、寬達(dá)數(shù)英尺的材料，才是將超短脈沖激光器應(yīng)用到生產(chǎn)環(huán)境中的關(guān)鍵。

玻璃很難用較長(zhǎng)的脈沖加工，但是它們可以用超短脈沖直接燒蝕，或者對(duì)某些材料進(jìn)行曝光，然后再進(jìn)行化學(xué)刻蝕。圖3顯示了一張飛秒激光燒蝕的玻璃片的高分辨率顯微圖。

圖3：使用飛秒激光刻制的玻璃片。（圖片來源：Elas公司）

超短脈沖激光器在表面加工方面的其他可能的應(yīng)用還有：清洗或去污和拋光。對(duì)于小的表面結(jié)構(gòu)，直接使用激光燒蝕可以實(shí)現(xiàn)的最佳表面粗糙度是Sa=0.5µm。這樣的表面粗糙度顯然不能滿足很多應(yīng)用的要求，因此，在激光燒蝕后必須對(duì)其進(jìn)行拋光處理。最好同一套超短脈沖激光系統(tǒng)能夠用于激光燒蝕和拋光這兩個(gè)步驟，其中后序在金屬上的拋光工藝，包括產(chǎn)生一個(gè)薄的熔融層，然后將材料更均勻地分布在表面。最終能實(shí)現(xiàn)Ra <0.3µm的表面粗糙度，在某些聚合物上的拋光能實(shí)現(xiàn)Ra<100nm的表面粗糙度。 

為了擴(kuò)大工藝規(guī)模，需要使用更高的單脈沖能量或脈沖重復(fù)頻率。在脈沖能量的提高方面是有限制的，因?yàn)樘�高的能量�?huì)使加工過程經(jīng)常出現(xiàn)熱負(fù)荷，從而否定了超短脈沖激光器在冷加工方面的優(yōu)勢(shì)。光束分束可以解決這個(gè)問題；但是，由于超短脈沖激光器通常能夠達(dá)到非常高的重復(fù)頻率（1~10MHz或更高），如果光束不能快速移動(dòng)，以避免停留時(shí)間過長(zhǎng)而對(duì)材料產(chǎn)生熱損傷，那么可用的重復(fù)頻率就會(huì)受到限制。另外，為了充分利用現(xiàn)有的能力，脈沖必須被觸發(fā)，以便均勻地傳遞，包括在加速過程中，如果使用超短脈沖激光器，這一點(diǎn)尤其重要。因此，經(jīng)濟(jì)地覆蓋大面積的目標(biāo)一直難以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，技術(shù)的進(jìn)步使高重復(fù)頻率的超短脈沖激光，能夠非常快速地傳輸?shù)酱笮凸δ鼙砻妗?nbsp;

全世界正在進(jìn)行許多協(xié)同努力（激光器/光學(xué)器件/系統(tǒng)/應(yīng)用），以促進(jìn)超短脈沖激光器能實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。例如，自然表面展示了特殊的納米和微米級(jí)特征，是如何使表面具有超疏水性（如荷葉拒水）或抗菌性的。基于激光的紋理技術(shù)，是一種能夠模仿自然表面、并在不使用添加物的情況下使其功能化的技術(shù)。據(jù)比利時(shí)Next Scan Technology公司的管理合伙人Lars Penning博士說，歐盟資助的LAMpAS項(xiàng)目，旨在通過基于千瓦級(jí)超短脈沖激光器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量。啟用這項(xiàng)技術(shù)，將確保超短脈沖激光器在具有新功能的家用電器和其他快速發(fā)展的消費(fèi)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)性制造和商業(yè)化方面，發(fā)揮重要作用。

LAMpAS系統(tǒng)將集成一個(gè)碟片皮秒激光器，其以兆赫茲級(jí)的重復(fù)頻率提供高達(dá)1.5kW的功率�；�于激光的機(jī)器將能實(shí)現(xiàn)高分辨率（特征尺寸從200nm到200μm）和高吞吐量（高達(dá)1~5m2/min），以滿足功能性和商業(yè)化的需求。 

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)納米和微米大小的特征，這要?dú)w功于一種稱為直接激光干涉圖案（DLIP）的多光束加工技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)能夠在干涉圖案的強(qiáng)度最大值位置發(fā)生的局部燒蝕的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)重復(fù)的表面結(jié)構(gòu)。在LAMpAS項(xiàng)目中，干涉圖案是由兩束激光與一個(gè)多邊形掃描系統(tǒng)重疊產(chǎn)生的。圖4顯示了在鋁表面產(chǎn)生的柱狀結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。

圖4：使用DLIP處理過的具有柱狀幾何結(jié)構(gòu)的鋁表面。（圖片來源：德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)）。

此外，通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行過程控制，控制激光和基底之間的相互作用，這些技術(shù)還可以刺激自組織過程，在微米和亞微米范圍內(nèi)，以均勻的方式產(chǎn)生激光誘導(dǎo)的周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）。具有不同特征尺寸的結(jié)構(gòu)的組合，對(duì)于達(dá)到增強(qiáng)的表面性能非常有意義。這種方法將促進(jìn)應(yīng)用許多其他獨(dú)特的表面特性。LAMpAS項(xiàng)目得到了歐盟的Horizon 2020研究和創(chuàng)新計(jì)劃的資助，資助協(xié)議號(hào)為825132。它是光子學(xué)公私伙伴關(guān)系（photonics21.org）的一項(xiàng)倡議。

在過去的幾年里，激光領(lǐng)域有了很大的發(fā)展。激光器制造商都在努力使他們的激光器更可靠、成本更低、更容易與其他部件集成，以便大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品，而這是在工業(yè)環(huán)境中全面實(shí)施超短脈沖激光器所需要的。事情正朝著正確的方向發(fā)展，并且進(jìn)展順利。