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文/Sami Hendow，IMRA America

從一家大型汽車制造商的生產(chǎn)線上下線的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞；該活塞已經(jīng)過飛秒激光處理，以提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予Arthur Ashkin、Gérard Mourou和Donna Strickland，以表彰他們?cè)诩す馕锢韺W(xué)領(lǐng)域的突破性發(fā)明。特別是，Mourou和Strickland因其產(chǎn)生高強(qiáng)度超短光脈沖的方法而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。該方法通常稱為啁啾脈沖放大（CPA；見圖1）。該獎(jiǎng)項(xiàng)不僅是為了表彰科學(xué)界對(duì)CPA革新性的承認(rèn)，也是因?yàn)樗鼘?duì)激光產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的影響。目前，CPA是產(chǎn)生飛秒脈沖的主要手段。

業(yè)界對(duì)產(chǎn)生和使用越來越短、越來越強(qiáng)的激光脈沖的興趣一直很高。然而，現(xiàn)實(shí)中也存在一種物理障礙，阻止這種脈沖在固態(tài)放大器和光纖中被高度放大。隨著脈沖的變短和峰值功率的增加，出現(xiàn)的光學(xué)非線性問題限制了在材料中傳輸?shù)姆逯倒夤β?。由光學(xué)非線性效應(yīng)引起的相干光散射降低了放大器的效率，并且導(dǎo)致其他不良后果。然而，更重要的是，強(qiáng)激光脈沖的高峰值功率，達(dá)到了放大器系統(tǒng)中元件的材料損傷閾值。

CPA通過使用長(zhǎng)的光纖或一對(duì)衍射光柵，在放大之前展寬激光脈沖來繞過這些限制（見圖1）。在對(duì)展寬的脈沖進(jìn)行放大之后（遠(yuǎn)低于放大器元件的光學(xué)損傷閾值）排布了一個(gè)光柵對(duì)，使得脈沖長(zhǎng)波部分的光程比短波部分的光程短，從而逆轉(zhuǎn)早期的脈沖展寬。這一概念提供了一種產(chǎn)生高能量超快激光脈沖的方法，開辟了許多科學(xué)應(yīng)用以及隨后的工業(yè)應(yīng)用。

圖1：Strickland和Mourou在1985年發(fā)表的CPA系統(tǒng)示意圖。[1]

Ultrashort pulse, low energy 超短脈沖，低能量

Chirped pulse, low energy 啁啾脈沖，低能量

Chirped pulse, high energy 啁啾脈沖，高能量

Seed oscillator 注入種子光的諧振腔

Stretcher 展寬器

Amplifier 放大器

Ultrashort pulse, high energy 超短脈沖，高能量

Compressor 壓縮器

背 景

20世紀(jì)90年代早期，鈦寶石（Ti:sapphire）激光器是研究市場(chǎng)的流行工具。其寬可調(diào)帶寬、短脈沖和高能量，使得研究許多新穎的應(yīng)用成為可能。多光子成像一直是受益于此能力的成功應(yīng)用之一。

盡管取得了這些成就，但這種早期技術(shù)由于其規(guī)模和復(fù)雜性而未能在商業(yè)上廣泛部署。隨著光通信的發(fā)展，基于光纖的飛秒激光技術(shù)得到了長(zhǎng)足的改進(jìn)，部分地克服了鈦寶石激光器的缺點(diǎn)；但由于仍然存在功率和脈沖能量低的問題，因此取得的成功是有限的。最后，CPA技術(shù)與光纖激光器的發(fā)展相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了前所未有的市場(chǎng)應(yīng)用和機(jī)會(huì)。

由于CPA的發(fā)明是公開的，許多學(xué)術(shù)和商業(yè)組織將這一概念運(yùn)用于驚人的應(yīng)用中，并且受益良多。1999年，美國(guó)加州理工學(xué)院的Ahmed Zewail因使用飛秒光譜學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)的過渡態(tài)而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

飛秒激光在非學(xué)術(shù)領(lǐng)域的首次大規(guī)模應(yīng)用是在眼科領(lǐng)域。高強(qiáng)度飛秒脈沖，是在沒有熱損傷的情況下分離透明生物組織的理想工具。在用準(zhǔn)分子激光器重塑角膜基質(zhì)之前，通過飛秒激光產(chǎn)生角膜瓣，已經(jīng)在視力矯正方面實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。

今天，全飛秒激光角膜視力矯正已成為可能?；诠饫w的CPA（FCPA）已被證明是這種先進(jìn)眼科應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)樗目煽啃灾瘟斯鈱W(xué)性能。

21世紀(jì)初期的經(jīng)濟(jì)放緩，為幾項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展開辟了道路。其中最重要的是人們對(duì)高功率激光光源的興趣，激發(fā)了對(duì)包層泵浦光纖放大器和高功率固態(tài)激光器的興趣。這些發(fā)展的早期應(yīng)用包括元件和儀器測(cè)試，以及國(guó)防相關(guān)應(yīng)用的材料損傷分析。

材 料 加 工

與此同時(shí)，在材料加工領(lǐng)域，皮秒脈沖激光器被認(rèn)為是優(yōu)于納秒激光器的新工具。皮秒脈沖的使用減少了材料的熱損傷，從而使激光能夠更廣泛地滲透到制造業(yè)領(lǐng)域，例如用于打標(biāo)、鉆孔和切割。

盡管如此，由于飛秒激光技術(shù)的特性及其對(duì)材料加工的顯著改進(jìn)，使得飛秒激光器在許多應(yīng)用中已經(jīng)成為“必須”的工具。IMRA America公司在2002年首次生產(chǎn)出用于材料加工的微焦量級(jí)的商業(yè)化飛秒FCPA激光器。[2]基于光纖技術(shù)，F(xiàn)CPA成為構(gòu)建高峰值功率、高平均功率和高脈沖能量飛秒激光器的常用手段。

大體上說，飛秒脈沖激光器對(duì)熱影響區(qū)（HAZ）減少的水平，是其他激光器無法比擬的。接近手術(shù)水平地將能量輸送到工件，為FCPA在精密消費(fèi)電子零件制造（包括顯示器行業(yè)）領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門。

飛秒激光器在切割硅晶圓方面的應(yīng)用一直備受關(guān)注，因?yàn)轱w秒激光脈沖的高峰值功率，可用于消融硅晶圓和其他沉積在硅晶圓表面的材料，并且對(duì)相鄰組件的影響或熱損傷最小。通常，這些硅晶圓預(yù)先配置了切割通道。這些通道也用于芯片分割之前的探測(cè)和測(cè)試。因此，切割通道填充有傳感器和探測(cè)點(diǎn)。在這種情況下，飛秒光束用于去除那些附加的表面層，同時(shí)支持硅晶圓的隱形切割。由于飛秒激光脈沖在堅(jiān)硬、透明藍(lán)寶石襯底中獨(dú)特的強(qiáng)非線性吸收，飛秒激光器也是從藍(lán)寶石晶圓中分離出高亮度LED芯片的理想選擇。

玻 璃 加 工

一直以來，消費(fèi)電子行業(yè)切割和加工玻璃的主要方法都是機(jī)械方法。然而，使用飛秒脈沖激光加工玻璃的應(yīng)用正在興起。通孔鉆孔是一個(gè)例子，利用飛秒光束輻照玻璃，引起折射率變化。然后在酸浴中刻蝕玻璃，去除被輻照區(qū)域。這些零件用于多芯片平臺(tái)，產(chǎn)生高密度和快速芯片連接結(jié)構(gòu)，使得垂直集成IC成為可能。

另一種應(yīng)用是在玻璃上刻圖和去除薄膜，就像對(duì)導(dǎo)電氧化銦錫（ITO）薄膜、電致變色薄膜和其他薄膜所做的處理一樣。

玻璃焊接也是一個(gè)感興趣的話題，因?yàn)樗皇褂谜澈蟿┗蛱盍稀＿@一點(diǎn)對(duì)于微電子封裝行業(yè)非常重要，因?yàn)樗藘?nèi)部污染和除氣的問題，并且省去了吸氣劑的使用（專門添加的物質(zhì)用于吸收這些不需要的物質(zhì)）。在這個(gè)過程中，兩個(gè)玻璃零件光學(xué)接觸，并暴露于飛秒激光束中：飛秒脈沖的高峰值功率在玻璃中引起多光子吸收，局部熔化玻璃，以此將兩個(gè)零件焊接在一起，并產(chǎn)生持久的氣密封（見圖2）。

圖2：從頂部看到，兩個(gè)玻璃基板已經(jīng)通過飛秒激光焊接，留下四條由光學(xué)條紋包圍的垂直焊接線；插圖所示為其中一條線的特寫，表明焊縫寬度為100μm。

汽 車 行 業(yè)

飛秒脈沖激光在制造業(yè)的應(yīng)用將持續(xù)發(fā)展和擴(kuò)張。由于汽車行業(yè)需要高穩(wěn)定性、高可靠性以及創(chuàng)新性，因此飛秒脈沖激光備受汽車行業(yè)的關(guān)注。例如，目前飛秒激光器已經(jīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件（包括活塞）的大批量處理（見圖3）。

圖3：一家主流汽車制造商生產(chǎn)的飛秒激光紋理加工的活塞；表面紋理應(yīng)用于裙邊區(qū)域，以減少摩擦，提升潤(rùn)滑功能。

提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的努力，正在推動(dòng)減輕車輛重量和提高運(yùn)行效率方面的工作。發(fā)動(dòng)機(jī)由更輕的鋁合金制成，而表面紋理和排線被應(yīng)用于移動(dòng)部件，以減少摩擦同時(shí)提高耐久性。這些合金的使用，迫切需要減少磨損和延長(zhǎng)使用壽命的工程解決方案。與其他技術(shù)相比，例如機(jī)械刻劃表面、長(zhǎng)脈沖激光打標(biāo)，或者表面噴丸處理，飛秒激光交叉排線能夠有效地?cái)U(kuò)散相關(guān)油膜，并且顯著改善油保留。

這種紋理通常應(yīng)用于活塞的裙部區(qū)域，經(jīng)歷大部分接觸，結(jié)果表明在2000rpm的轉(zhuǎn)速時(shí)，可減少高達(dá)25%的摩擦。飛秒激光器的使用還避免了劃線區(qū)域毛刺的形成，從而省去了對(duì)去毛刺工藝的需求，進(jìn)一步提高了制造效率。

FCPA在從醫(yī)療到汽車等各個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域的商業(yè)化，一直是可靠和創(chuàng)新產(chǎn)品工程的驅(qū)動(dòng)力。特定應(yīng)用的可靠性、激光行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試協(xié)議的發(fā)展相結(jié)合，使得飛秒激光在要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行成為可能。

參考文獻(xiàn)

1. D. Strickland and G. Mourou, Opt. Commun., 56, 3, 219 (Dec. 1, 1985).

2. See http://bit.ly/femtosecondref2.