每個(gè)人都熟悉激光加工，但你能分辨出你經(jīng)常聽到的納秒激光、皮秒激光、飛秒激光等嗎？

▌ 先搞清楚時(shí)間單位的轉(zhuǎn)換

1ms (毫秒)=0.001秒=10-3秒 

1μs (微秒)=0.000001=10-6秒 1ns (納秒)=0.0000000001秒=10-9秒 1ps (皮秒)=0.0000000000001秒=10-12秒 1fs (飛秒)=0.000000000000001秒=10-15秒 

通過了解時(shí)間單位，我們知道飛秒激光是一種極其超短脈沖的激光加工。近十年來，超短脈沖激光加工技術(shù)發(fā)展迅速。

▌ 超短脈沖激光的意義

人們很早就嘗試使用激光進(jìn)行微加工。然而，由于激光的長脈沖寬度和低激光強(qiáng)度，材料熔化并持續(xù)蒸發(fā)。雖然激光束可以聚焦成小光點(diǎn)，但對(duì)材料的熱沖擊仍然很大，限制了加工精度。只有減少熱影響，才能提高加工質(zhì)量。

當(dāng)激光以皮秒量級(jí)脈沖時(shí)間作用于材料時(shí)，加工效果會(huì)發(fā)生顯著變化。高功率密度足以剝離外層電子，因?yàn)槊}沖能量急劇上升。由于激光和材料之間的相互作用時(shí)間很短，離子在將能量傳遞到周圍材料之前已經(jīng)從材料表面被燒蝕，不會(huì)對(duì)周圍材料產(chǎn)生熱影響，因此也被稱為冷加工。短和超短脈沖激光器以冷加工的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

長脈沖激光加工 VS 超短脈沖

超短脈沖加工能量迅速注入小作用區(qū)域，瞬時(shí)高能密度沉積改變了電子吸收和運(yùn)動(dòng)模式，避免了激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散的影響，從根本上改變了激光與物質(zhì)的相互作用機(jī)制。

長脈沖激光加工后的部分

超快激光脈沖加工后的部分

▌ 廣泛應(yīng)用于激光加工

激光加工包含高功率切割、焊接；微加工之鉆孔、劃線、切割、紋理、剝除、隔離等，各種激光加工手段的主要用途有：

1. 鉆孔

在電路板設(shè)計(jì)中，人們開始用陶瓷基底代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塑料基底，以達(dá)到更好的導(dǎo)熱效果。為了連接電子元件，通常需要在板上鉆數(shù)十萬個(gè)μm等級(jí)小孔。因此，在鉆孔過程中，保證基底的穩(wěn)定性不受熱輸入的影響變得非常重要。皮秒激光是該應(yīng)用的理想工具。

皮秒激光可以沖擊鉆孔，保證孔的均勻性。除電路板外，皮秒激光還可以優(yōu)質(zhì)鉆孔塑料薄膜、半導(dǎo)體、金屬薄膜和藍(lán)寶石。

100μm不銹鋼薄片，鉆孔，3.3ns vs 200fs ，燒蝕閾值附近有1萬個(gè)脈沖：

2. 劃線，切割

通過掃描的方式疊加激光脈沖可以形成線。通常要通過大量的掃描可以深入到陶瓷內(nèi)部，直到線的深度達(dá)到材料厚度的 1/6。然后沿著這些刻線從陶瓷基底分離單個(gè)模塊。這種分離方法稱為劃線。

另一種分離方法是使用超短脈沖激光燒蝕切割，也稱為消融切割。激光燒蝕材料，去除材料，直到它被切割。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是加工孔的形狀和尺寸更靈活。所有的工藝步驟都可以通過皮秒激光器完成。

聚碳酸酯材料上皮秒激光和納秒激光的劃線效果不同。

3. 線燒蝕(去除涂層)

另一種常被視為微加工的應(yīng)用是在不損壞或輕微損壞基材的情況下準(zhǔn)確去除涂層。燒蝕可以是幾微米寬的線，也可以是幾平方厘米的大面積去除。

由于涂層的厚度通常遠(yuǎn)小于燒蝕的寬度，因此熱量不能在側(cè)面?zhèn)鬟f。因此，激光可以使用納秒脈沖寬度。

高平均功率激光、方形或矩形傳導(dǎo)光纖和平頂光強(qiáng)分布的結(jié)合使激光表面燒蝕應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。例如：使用快速公司 TruMicro 7060 激光器去除薄膜太陽能電池玻璃上的涂層。同樣的激光器也可以用來去除汽車工業(yè)中的耐腐蝕涂層，為后續(xù)焊接做準(zhǔn)備。

4. 表面結(jié)構(gòu)化

結(jié)構(gòu)化可以改變材料表面的物理特性。根據(jù)荷花效應(yīng)，疏水性表面結(jié)構(gòu)使水從表面流出。用超短脈沖激光器在表面創(chuàng)建亞微米結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)這一特性，并通過改變激光參數(shù)準(zhǔn)確控制要?jiǎng)?chuàng)建的結(jié)構(gòu)。

相反的效果，如親水性表面，也可以實(shí)現(xiàn)，微加工也可以創(chuàng)造更大的結(jié)構(gòu)。這些過程可用于發(fā)動(dòng)機(jī)中的油箱，以減少磨損，或在金屬表面與塑料焊接。

5. 雕刻成型

雕刻成型是通過燒蝕材料創(chuàng)造三維形狀。雖然燒蝕的尺寸可能超過傳統(tǒng)意義上的微加工范圍，但它所需的精度仍然分為這種激光應(yīng)用領(lǐng)域。皮秒激光可用于加工銑床的多晶金剛石工具邊緣。

激光是加工多晶金剛石的理想工具，多晶金剛石是可以制作銑刀刀刃的極為堅(jiān)硬的材料。使用雕刻成型技術(shù)來加工銑刀的切屑槽和齒，這種情形下激光的好處是非接觸和高加工精度。

微加工具有廣闊的應(yīng)用前景，越來越多的日用品通過激光微加工進(jìn)入我們的視野。

激光加工是一種無接觸式加工，具有后續(xù)工藝少、可控性好、易于集成、加工效率高、材料損耗小、環(huán)境污染低等顯著優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械制造等行業(yè)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率、自動(dòng)化程度、減少材料消耗起著越來越重要的作用。