皮秒激光加工研究進(jìn)展與展望

李平雪,辛承聰,高 健,張?zhí)焖?肖 坤,董雪巖,李 舜,王婷婷,蘇 寧

(北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院,北京 100124)

1 引 言

激光是20世紀(jì)以來(lái)的一項(xiàng)重大科技發(fā)明,憑借其方向性好、相干性好、亮度高的特點(diǎn),激光技術(shù)已滲透到科學(xué)研究和生產(chǎn)生活的各個(gè)前沿領(lǐng)域中。特別是近年來(lái)超快光學(xué)和光纖激光器的迅速發(fā)展,使得激光加工技術(shù)在激光器輸出功率、加工精度及工藝參數(shù)等方面均得到了完善和提升。受限于成本等因素,目前脈寬在微秒、納秒量級(jí)的長(zhǎng)脈寬激光器在工業(yè)加工中仍占據(jù)主流地位,但以熱去除為作用機(jī)理的加工方式會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū),存在材料頻繁重鑄、表面涂層開(kāi)裂等問(wèn)題[1-2],無(wú)法滿足微納尺度精細(xì)加工的應(yīng)用場(chǎng)景。

有研究表明[3],加工所用激光的脈沖寬度越窄、峰值功率密度越大,越能夠有效減小加工中熱影響區(qū)及重鑄層的形成。不同晶體結(jié)構(gòu)的材料其電子與離子間的能量弛豫時(shí)間在微秒至皮秒之間[4],對(duì)于大部分材料,當(dāng)激光的脈沖寬度在10ps左右時(shí)[5-6],加工過(guò)程將幾乎沒(méi)有熱量被自由電子傳導(dǎo)至加工區(qū)域的周?chē)?可獲得媲美飛秒激光的高質(zhì)量加工效果,實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)熱影響區(qū)的“冷加工”[7]。雖然飛秒激光具有更窄的脈沖寬度,熱影響區(qū)低至納米量級(jí),但受限于現(xiàn)階段的飛秒激光器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、價(jià)格昂貴且運(yùn)行維護(hù)成本較高,目前多應(yīng)用在對(duì)加工尺度有苛刻要求的超精細(xì)加工中[8]。與飛秒激光器相比,皮秒激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定,技術(shù)相對(duì)成熟,可提供較高的平均功率和重復(fù)頻率,加工精度亦能滿足大部分應(yīng)用需求,同時(shí)具有更高的加工效率。

20世紀(jì)80年代,得益于固態(tài)二極管泵浦技術(shù)的發(fā)展,皮秒激光工程應(yīng)用研究開(kāi)始起步,并于90年代末首次出現(xiàn)基于再生放大技術(shù)單脈沖能量可達(dá)微焦乃至毫焦量級(jí)的商業(yè)化皮秒激光器[9]。目前,國(guó)內(nèi)商用皮秒激光器的研發(fā)相對(duì)落后,商用100 kHz皮秒激光器功率最高為50 W[10],而國(guó)外ONEFIVE、COHERENT等公司已相繼推出平均功率100 W、單脈沖能量300 μJ以及頻率為1 MHz時(shí)平均功率為100 W的商用高功率皮秒激光器,德國(guó)Edge Wave公司研發(fā)的基于InnoSlab激光技術(shù)的皮秒震蕩放大系統(tǒng),其脈沖寬度為12 ps、平均功率高達(dá)400 W,最高可提供1500 μJ的單脈沖能量輸出。

利用皮秒激光“冷加工”的特性,皮秒激光可應(yīng)用在各種材料的精細(xì)加工中[11-13],包括金屬、玻璃、藍(lán)寶石、半導(dǎo)體、塑料等,加工方式涵蓋了打孔、切割、選擇性去除、微結(jié)構(gòu)制備等,特別是近年來(lái)高端3C制造業(yè)對(duì)于加工工藝要求的不斷提升,使皮秒激光加工在消費(fèi)電子觸摸屏模組生產(chǎn)、半導(dǎo)體晶圓劃片切割、柔性太陽(yáng)能薄膜電池加工、硬脆性材料打孔切割[2]等領(lǐng)域展現(xiàn)出全新的應(yīng)用前景。

本文重點(diǎn)對(duì)國(guó)內(nèi)外皮秒激光用于微孔加工、材料切割、表面工程技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,并針對(duì)皮秒激光加工現(xiàn)階段存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了分析與展望。

2 皮秒激光加工研究進(jìn)展

2.1 皮秒激光在微孔加工中的應(yīng)用

微孔加工特別是深微孔加工一直是航空航天、新能源、生物醫(yī)療等高端制造領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)。1996年,Chiehkov等[1]使用鈦寶石CPA放大激光器分別以200 fs、80 ps和3.3 ns不同脈寬的激光于真空靶室中對(duì)100 μm厚的不銹鋼薄板進(jìn)行微孔加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)。從圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出使用飛秒激光可獲得高質(zhì)量的微孔,加工效果明顯好于納秒激光,而80 ps脈寬的皮秒激光對(duì)于“冷加工”來(lái)說(shuō)仍然較長(zhǎng),雖然熱影響區(qū)較納秒激光有所降低,但仍無(wú)法媲美飛秒激光的加工效果。

圖1 不同脈寬激光用于100μm厚鋼箔微孔加工掃描電鏡圖Fig.1 Schematic of pulse laser ablation and a SEM photograph of a hole drilled in a 100μm thick steel foil

相關(guān)理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,更短的激光脈沖寬度和更高的單脈沖能量有利于提高微孔的加工質(zhì)量。利用脈寬短至10 ps的激光[14-16]對(duì)金屬以及非金屬材料進(jìn)行加工,即可達(dá)到媲美飛秒激光的加工效果。Cheng等[17]使用皮秒激光器在Au、Al、Ti6Al4V上進(jìn)行了單脈沖打孔實(shí)驗(yàn),研究結(jié)果顯示對(duì)于具有不同電子-聲子弛豫時(shí)間的金屬,使用10 ps 脈寬的皮秒激光進(jìn)行加工即可產(chǎn)生幾乎可以忽略的熱影響區(qū)。Kleinbauer等[18]使用自行研制的波長(zhǎng)1064 nm、脈寬10 ps的皮秒固體激光器,在重復(fù)頻率20 kHz,單脈沖能量為0.54 mJ時(shí),成功地在1 mm 厚的工業(yè)鋼板上加工出直徑100 μm的微孔,從圖2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,微孔切割邊緣光滑、周邊無(wú)明顯熱擴(kuò)散,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了皮秒激光加工對(duì)于較厚金屬材料加工的可行性,加工效果與飛秒激光相比無(wú)明顯差異,同時(shí)具有更高的加工效率,能夠滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。

圖2 皮秒激光在1 mm厚工業(yè)鋼板上進(jìn)行微孔加工Fig.2 Hole drilling in 1 mm steel foil with picosecond laser

要實(shí)現(xiàn)高精度的超快激光微孔加工,除了保證光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)的精度外,還需要合適的打孔方式和激光偏振態(tài)等工藝參數(shù)的配合。Foehl等人[19]研究了不同打孔方式對(duì)激光微孔加工的影響。旋切打孔所采用的旋轉(zhuǎn)棱鏡方式能夠?qū)崿F(xiàn)正錐度、負(fù)錐度及無(wú)錐度打孔,而螺旋打孔的激光焦點(diǎn)向工件內(nèi)部不斷推進(jìn),所加工微孔的圓柱度更高。Nebel等[20]使用平均功率為1 W、重復(fù)頻率為100 kHz的皮秒激光器在100 μm厚的不銹鋼板上進(jìn)行了螺旋打孔實(shí)驗(yàn),得益于所用高重復(fù)頻率圓偏振皮秒激光,僅以0.5 W的平均功率在25 μm厚的不銹鋼箔上以每分鐘120孔的加工效率加工出直徑30 μm的微孔陣列。圖3的加工結(jié)果顯示所加工微孔圓度好,重復(fù)性高,通過(guò)讓偏振方向始終垂直于孔壁,可極大的減小毛刺與波紋的產(chǎn)生。

圖3 皮秒激光在25 μm厚不銹鋼箔上進(jìn)行微孔陣列加工Fig.3 Hole drilling in 25 μm steel foil with picosecond laser

北京工業(yè)大學(xué)的段金鵬、姜靖[21-22]對(duì)皮秒激光的微孔加工進(jìn)行機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究。他們采用皮秒激光在0.3 mm厚的Mo及1 mm厚不銹鋼板上分別以旋切打孔和沖擊打孔方式進(jìn)行了直徑在50～200 μm的微孔加工,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)如圖4和圖5所示。研究表明在較大孔徑微孔加工中,旋切打孔更容易獲得圓度好、潔凈度高的微孔,而沖擊打孔方式則適用于高深徑比的孔加工,更適用于高單脈沖能量的情形。圖5孔錐度0.71°,深徑比高達(dá)13∶1。

圖4 皮秒激光在0.3 mm厚Mo和1 mm厚不銹鋼上加工直徑200 μm微孔Fig.4 Diameter of 200 μm holes drilled on 0.3 mm thick Mo and 1 mm thick stainless steel

圖5 沖擊打孔小孔的整體剖面圖及表面形貌Fig.5 The whole profile and the surface morphology of percussion drilling

D?ring等[23]使用波長(zhǎng)為1030 nm,脈寬為8 ps的皮秒激光以沖擊打孔方式在硅片上進(jìn)行了微孔加工實(shí)驗(yàn),圖6為利用投射成像技術(shù)所觀測(cè)到的不同激光脈沖數(shù)量對(duì)應(yīng)的加工效果。結(jié)果顯示微孔的最大深度主要由激光的單脈沖能量決定,通過(guò)提高激光的單脈沖能量以及增加脈沖數(shù)量可實(shí)現(xiàn)高深徑比的微孔加工。

圖6 孔的輪廓和深度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程Fig.6 Dynamic change process of hole profile and depth

皮秒激光除了可廣泛應(yīng)用于各種金屬材料的微孔加工,對(duì)于使用常規(guī)方法無(wú)法滿足加工精度和質(zhì)量要求的高硬脆性材料(如玻璃、陶瓷、藍(lán)寶石等)亦具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。圖7為德國(guó)Lumera公司[19]使用1064 nm波長(zhǎng)、12 ps脈寬、單脈沖能量100 μJ@100 kHz的皮秒激光在200 μm厚的陶瓷及140 μm厚的玻璃上加工出直徑1 mm小孔,具有極高的邊緣質(zhì)量。

圖7 皮秒激光在200μm厚硅片及140μm厚玻璃上鉆孔Fig.7 Drilling in silicon of 300 μm thick and glass of 140 μm thick

2.2 皮秒激光在切割、劃線中的應(yīng)用

切割與劃線是激光微細(xì)加工中最為廣泛的應(yīng)用之一,隨著激光器功率和光束質(zhì)量的不斷提高以及數(shù)控機(jī)床、掃描振鏡等配套技術(shù)的不斷完善,皮秒激光在加工精度和效率方面均得到大幅提升,拓展了工業(yè)高精細(xì)度切割劃線的應(yīng)用范圍。2003年,德國(guó)Lumera公司發(fā)布了型號(hào)為Staccato的商用皮秒激光器[24],這臺(tái)波長(zhǎng)為1064 nm、脈寬小于12ps的激光器可提供平均功率10 W、單脈沖能量達(dá)100 μJ@100 kHz的穩(wěn)定輸出,能夠滿足大部分材料的燒蝕閾值。該公司在50 μm厚硅片上以納秒、皮秒和飛秒激光進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了皮秒激光在加工精度和表面粗糙度上能夠媲美飛秒激光,可以滿足工業(yè)要求。

Herrmann等[25]使用平均功率0.85 W,重復(fù)頻率50 kHz的皮秒激光以及平均功率0.37 W,重復(fù)頻率1 kHz的飛秒激光在厚度為100 μm的不銹鋼薄板上進(jìn)行了對(duì)比切割實(shí)驗(yàn)。飛秒激光僅切割20 mm×20 mm的薄板即用時(shí)近一小時(shí),而皮秒激光的加工時(shí)間縮短了6倍,得到了圖8中不亞于飛秒激光且端面整齊、無(wú)毛刺崩邊的切割效果。皮秒激光的加工效率和加工質(zhì)量在圖9所示300 μm厚硅晶圓的切割實(shí)驗(yàn)中亦得到了驗(yàn)證。

圖8 皮秒激光切割100 μm厚不銹鋼薄板Fig.8 Cutting of 100 μm steel sheet with a PS-laser system

圖9 皮秒激光切割300 μm厚硅晶圓Fig.9 Cutting silicon wafer(d=300 μm)by using picosecond laser

玻璃、藍(lán)寶石等透明材料應(yīng)用市場(chǎng)廣闊,但由于其高硬脆特性,加工難度大,尤其對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行高質(zhì)量、低損耗的加工是一個(gè)難題,傳統(tǒng)加工方式主要為機(jī)械加工、超聲落料和化學(xué)刻蝕等[26-27]。由于材料對(duì)于不同波長(zhǎng)激光的吸收率存在差異,將不同波長(zhǎng)和脈寬的激光應(yīng)用在藍(lán)寶石微細(xì)加工中是一直以來(lái)的研究重點(diǎn),激光對(duì)藍(lán)寶石等硬脆性材料的加工包含短波長(zhǎng)紫外激光[28-29]和超短脈沖激光[30-31]。早在1989年,Tam等[32]采用波長(zhǎng)為266 nm,脈寬30 ps的皮秒激光對(duì)藍(lán)寶石晶體進(jìn)行了刻蝕實(shí)驗(yàn),且在藍(lán)寶石表面加工出12 μm深的凹槽,由于激光光束質(zhì)量的限制,凹槽邊緣崩裂嚴(yán)重,刻蝕表面較粗糙。Ashkenasi等[33]以波長(zhǎng)為790 nm和395 nm的皮秒激光和亞皮秒激光對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行刻蝕加工,研究結(jié)果顯示隨著激光脈寬的減小,加工質(zhì)量得到了明顯的改善,當(dāng)脈寬大于440 fs時(shí),由于自聚焦的產(chǎn)生可對(duì)下表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)加工。

國(guó)內(nèi)邊曉微等[34]將355 nm的納秒激光器和1064 nm的皮秒激光器用于藍(lán)寶石的刻槽和切割實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明即使所用納秒激光器處在紫外波段,在加工中亦存在明顯的熱效應(yīng),同時(shí)加工效率很低。而脈寬15 ps的皮秒激光對(duì)于藍(lán)寶石的加工幾乎沒(méi)有熱效應(yīng)的產(chǎn)生。圖10為通過(guò)分層掃描切割方法對(duì)0.55 mm厚藍(lán)寶石毛坯片的高質(zhì)量切割。

圖10 皮秒激光切割藍(lán)寶石Fig.10 Cutting of saphire by using picosecond laser

在石英切割方面,李勇[35]等使用1064 nm脈寬10 ps的皮秒激光器對(duì)JGS1-1遠(yuǎn)紫外石英光學(xué)玻璃薄片進(jìn)行劃線切割實(shí)驗(yàn)。通過(guò)控制變量法,分析了激光功率、占空比、點(diǎn)間距及聚焦光斑等工藝參數(shù)對(duì)加工效果的影響。當(dāng)使用激光功率16 W、占空比60%、重復(fù)頻率100 kHz、劃線速度700 mm/s的工藝參數(shù)時(shí)獲得了圖11所示正面崩邊11.08 μm,背面崩邊7.610 μm,側(cè)面粗糙度4 μm的良好切割效果。

皮秒激光加工的優(yōu)勢(shì)在薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)中也有充分體現(xiàn)。常規(guī)P1/P2/P3的制程中,主要采用納秒激光和機(jī)械刻劃相結(jié)合的方式[36],刻槽存在死區(qū)(Dead Area)寬度過(guò)大,容易產(chǎn)生微裂痕和局部材料剝落等問(wèn)題,對(duì)電池的絕緣性和壽命都有影響,而皮秒激光可被應(yīng)用在P1/P2/P3的全部制程中。Heise等[37]使用波長(zhǎng)1064 nm脈寬為10 ps的皮秒激光器在CIS薄膜太陽(yáng)能電池上進(jìn)行了P1/P2/P3的刻劃實(shí)驗(yàn)研究,1064 nm波長(zhǎng)的皮秒激光在P1/P2/P3制程中均取得了良好的加工效果,有效減小了死區(qū)寬度,降低了接觸電阻,電池模組的效率被提高到了14.7%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖11 皮秒激光切割石英玻璃樣品Fig.11 Sample photos chipping

圖12 皮秒激光加工薄膜太陽(yáng)能電池P1/P2/P3加工效果Fig.12 Processing effect of P1/P2/P3

2.3 皮秒激光在表面微結(jié)構(gòu)制備中的應(yīng)用

激光打標(biāo)技術(shù)的發(fā)展催生出對(duì)金屬材料表面著色工藝的研究。超短脈沖激光能夠在金屬表面形成納米量級(jí)的周期性表面條紋微結(jié)構(gòu),使其具有的反射光柵的特點(diǎn)和性質(zhì),調(diào)制了光譜反射率,表面條紋微結(jié)構(gòu)所引起的選擇性光吸收使金屬表面呈現(xiàn)出不同的顏色。吳勇華等[38]利用皮秒激光(波長(zhǎng)1064 nm、平均功率6 W、脈寬30 ps、重頻30 kHz)在304不銹鋼上進(jìn)行了著色實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)控制激光功率、掃描速度、線間距和離焦量等工藝參數(shù)可使不銹鋼呈現(xiàn)出如圖13(a)所示的顏色效果,圖13(b)為呈現(xiàn)紅色時(shí)所對(duì)應(yīng)的條紋微結(jié)構(gòu)。比起熱效應(yīng)占主導(dǎo)的納秒激光,皮秒激光能夠產(chǎn)生更為清晰的輪廓,著色效果更為細(xì)致和持久,并同時(shí)提高了材料的耐腐蝕性。

圖13 不同工藝參數(shù)不銹鋼表面著色效果及不銹鋼表面周期性條紋微結(jié)構(gòu)Fig.13 Coloring result display on metal surface with different line space and power of picosecond laser,and surface periodic micro ripple structure of 304 stainless steel

皮秒激光除了在金屬、非金屬等材料的劃線切割、微孔加工中有廣泛應(yīng)用外,在金屬著色除銹、親疏水性仿生表面制備,硅表面周期性微結(jié)構(gòu)等表面處理應(yīng)用中也扮演著重要角色。隨著對(duì)工藝參數(shù)的不斷開(kāi)發(fā)和研究,將賦予材料新的特性。

李平等[39]在SF6氣體氛圍中使用波長(zhǎng)1064 nm,脈寬為35 ps的皮秒激光進(jìn)行了硅表面周期性微結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)不同數(shù)量激光脈沖的照射,硅表面的演變過(guò)程如圖14所示。隨著脈沖數(shù)的增加,硅表面逐步熔化至液態(tài)并在液態(tài)區(qū)域出現(xiàn)準(zhǔn)規(guī)則排列的微米量級(jí)的尖峰結(jié)構(gòu),尖峰高度為15～20 μm,間距 8～10 μm,且與激光入射方向一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)表面微結(jié)構(gòu)處理后的硅材料的光輻射吸收特性在紅外波段得到了明顯的增強(qiáng),在光電領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

圖14 SF6氣體氛圍下隨皮秒激光脈沖數(shù)增加硅表面尖峰結(jié)構(gòu)演化過(guò)程Fig.14 SEM images showing the evolution of conical spikes on Si surface upon 50

在皮秒激光的表面處理應(yīng)用中,使材料具有親、疏水性也是一個(gè)重要研究方向。丁杰等[40]報(bào)道了一種使用皮秒激光加工快速制備鈦酸鍶(SrTiO3)單晶超親水表面的方法。他們?cè)谑覝叵虏捎貌ㄩL(zhǎng)1024 nm、脈寬10 ps、平均功率10 W的皮秒激光在SrTiO3單晶表面刻蝕出圖15所示的周期性整齊線排列的溝槽結(jié)構(gòu),當(dāng)溝槽間隔小于150 μm時(shí),SrTiO3單晶表面浸潤(rùn)性向親水方向轉(zhuǎn)變,使其得到超親水表面。

圖15 皮秒激光在SrTiO3單晶表面刻蝕線排列溝槽Fig.15 The figures of laser confocal micrograph of Sample

氧化鋯(Y-TZP)陶瓷作為生物惰性陶瓷材料,因其具有高強(qiáng)度、美觀性和較好的生物相容性在齒科修復(fù)中應(yīng)用廣泛,利用激光制備具有疏水性表面的Y-TZP陶瓷可降低粘結(jié)面的水解作用,提高其使用壽命。李健等[41]研究了皮秒激光用于制備具有疏水性表面的Y-TZP陶瓷,所構(gòu)造的槽深40 μm的直槽陣列和柱狀陣列如圖16所示,2 種微結(jié)構(gòu)的接觸角分別為102°和125°,通過(guò)改變激光功率、掃描速度、掃描次數(shù)、離焦量等工藝參數(shù)可改變槽結(jié)構(gòu)的形貌和特征值,使其符合Cassie模型,從而得到具有良好疏水性能的Y-TZP陶瓷。

圖16 槽結(jié)構(gòu)截面及形貌圖Fig.16 The groove cross-sectional and topography

3 皮秒激光加工分析與展望

皮秒激光加工自20世紀(jì)90年代發(fā)展至今技術(shù)日趨成熟,已成功走出實(shí)驗(yàn)室并在工業(yè)微細(xì)加工領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)機(jī)械法與長(zhǎng)脈沖激光加工無(wú)法完成的任務(wù),但伴隨著新材料的不斷涌現(xiàn)以及實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于加工精度和效率更加嚴(yán)苛的要求,皮秒激光加工仍面臨著諸多的工藝和技術(shù)難點(diǎn)需要突破。

受限于目前主流商用皮秒激光器有限的功率、重頻及單脈沖能量等參數(shù),皮秒激光加工在劃線切割等應(yīng)用中仍主要用來(lái)處理薄型材料,在深微孔加工中對(duì)于徑深比的提升亦出現(xiàn)了瓶頸,僅靠單純的提高激光器功率、單脈沖能量等參數(shù)已無(wú)法滿足厚型板材及超深微孔的加工要求,需要?jiǎng)?chuàng)新性的加工工藝及新器件的配合。

提高皮秒激光輸出的重頻是提升加工效率的重要手段,目前皮秒激光器的重頻已達(dá)兆赫茲量級(jí),但與之相配套的掃描振鏡系統(tǒng)掃描速度仍然相對(duì)較慢,導(dǎo)致脈沖的大量堆疊并帶來(lái)額外的熱效應(yīng)。國(guó)外Next Scan、Lincoln Laser等公司已開(kāi)發(fā)出多邊形掃描振鏡系統(tǒng),通過(guò)原理上的創(chuàng)新極大的提高了加工效率。在皮秒激光加工的外光路光束整形方面亦需要技術(shù)上的創(chuàng)新來(lái)克服高斯光束光強(qiáng)分布不均及材料對(duì)于不同偏振態(tài)激光吸收率的差異所帶來(lái)的邊緣加工質(zhì)量下降問(wèn)題。

目前皮秒加工系統(tǒng)中對(duì)加工精度及效率起決定性作用的關(guān)鍵部件仍主要依賴進(jìn)口,國(guó)內(nèi)急需提供高度定制化的完整解決方案并實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的自行研制以整體提升國(guó)內(nèi)超快微加工技術(shù)的整體水平并降低系統(tǒng)成本。值得指出的是,雖然目前固體類(lèi)激光器在皮秒激光加工中占主導(dǎo)地位,但隨著皮秒光纖激光器技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,其維護(hù)成本低、系統(tǒng)集成靈活度高的優(yōu)勢(shì)將使全光纖化的皮秒加工系統(tǒng)得到普及并對(duì)加工系統(tǒng)的形態(tài)產(chǎn)生重要變革,聯(lián)合納秒及亞納秒激光器在加工精度、加工效率、生產(chǎn)成本等方面達(dá)到平衡。

4 結(jié) 論

皮秒激光以其高峰值功率、超短脈沖、高重復(fù)頻率等特點(diǎn)兼顧了納秒激光較高的材料去除率和飛秒激光“冷加工”的特點(diǎn),可對(duì)絕大部分材料實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)熱效應(yīng)的高精度、高效率的加工,隨著對(duì)激光與材料作用機(jī)理更加深入的研究,對(duì)加工工藝與加工參數(shù)不斷的探索和優(yōu)化,以及創(chuàng)新型原理和部件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,皮秒激光加工必將突破一個(gè)個(gè)技術(shù)壁壘,在更為廣闊的高端制造領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用價(jià)值。