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超短脈沖激光器的工業(yè)成熟度引發(fā)了眾多材料加工方法的發(fā)展。最近，來自德國通快激光的研究人員將超快激光卓越的時間脈沖特性與先進(jìn)的結(jié)構(gòu)光概念相結(jié)合，引起了激光應(yīng)用方法開發(fā)的突破，該方法現(xiàn)在將逐步進(jìn)入工業(yè)環(huán)境。

小型化——制造越來越小的產(chǎn)品和組件，同時又要保持其功能和質(zhì)量的趨勢——是個遲早會影響所現(xiàn)有技術(shù)的過程。產(chǎn)品尺寸和重量減小，從而降低成本的前景促使制造商開發(fā)工具和加工策略。超短脈沖激光代表了可用于微米和納米級加工的獨(dú)特的工具。從約100fs到約10ps的脈沖持續(xù)時間以及相應(yīng)的極端峰值強(qiáng)度會導(dǎo)致與所有可能的材料發(fā)生相互作用，而與物質(zhì)狀態(tài)或吸收行為無關(guān)。

幾乎在每個光電設(shè)備中都可以找到諸如玻璃或藍(lán)寶石之類的透明且易碎的材料，這些材料主要由于極高的機(jī)械或化學(xué)性能而成為加工中極具挑戰(zhàn)性的例子。特別是超短脈沖激光顯示出巨大的潛力，可作為微妙的工具，用于在表面或體積內(nèi)部進(jìn)行受控的能量沉積。同時，由于邊緣的熱擴(kuò)散，未處理的相鄰區(qū)域的所需光學(xué)特性或已實現(xiàn)的光學(xué)功能不會受到影響。此類激光器通常提供的單個近乎衍射極限的高斯焦點(diǎn)分布代表了理想的焦點(diǎn)，僅在特殊情況下才可用于特定的激光加工過程。在考慮更有效的、行業(yè)兼容的概念以產(chǎn)生高吞吐量時，更復(fù)雜的空間分布變得尤其有吸引力。因此，除了超短脈沖激光器的顯著時間特性外，還需要在所有空間自由度上定制聚焦分布。

最近，“結(jié)構(gòu)光”一詞已被用來涵蓋先進(jìn)的光束整形概念，其中激光輻射的所有空間和時間特性都被操縱以實現(xiàn)定制的光狀態(tài)。在目前的情況下，時間特性是由工業(yè)超快激光平臺確定的，該平臺使用具有1ps持續(xù)時間的帶限脈沖。另一方面，空間特性由基于例如一次或多次照射的衍射光學(xué)元件、自由形式光學(xué)元件或幾何相位全息(固定或自適應(yīng)版本)的高效和抗功率概念決定。光束成形元件與聚焦單元(使用的最大為0.5納米)一起形成加工光學(xué)元件，加工光學(xué)元件通常被饋送自由空間或光纖引導(dǎo)的脈沖，如下圖1。

圖1. 超短脈沖處理光學(xué)的模塊化概念。

▲圖解：(a)自由空間或光纖引導(dǎo)的脈沖是(b)照明光束整形元件和(c)在自由空間傳播或轉(zhuǎn)換成它們各自的遠(yuǎn)場。在進(jìn)一步的可能的光束成形和(d)傳播步驟之后，(e)產(chǎn)生的光場被物鏡聚焦/成像到工件上或工件中。交替的光束成形和光束傳播/遠(yuǎn)場變換步驟可以通過單次照射多個元件或多次照射單個元件來實現(xiàn)

激光切割透明材料

基于開發(fā)的用于垂直玻璃切割的加工方法，近來，對定制玻璃邊緣的需求增加，例如倒角或斜面結(jié)構(gòu)。除了視覺上的好處，這是由于增加了邊緣穩(wěn)定性和減少了潛在的邊緣斷裂。此外，基底的幾何形狀變得越來越復(fù)雜，人們對切割具有曲面的玻璃很感興趣，如醫(yī)療技術(shù)中大量需要的管子、注射器和安瓿。這兩種情況的挑戰(zhàn)在于，所應(yīng)用的非衍射焦點(diǎn)分布需要敏感的像差校正，以補(bǔ)償由通過傾斜或彎曲界面的光束轉(zhuǎn)變引起的相位擾動。下圖顯示了這一概念在加工具有給定直徑的玻璃管的例子中。下圖(a)模擬了貝塞爾-高斯光束在圓柱形玻璃表面后的傳播，其中獲得了峰值強(qiáng)度降低的復(fù)雜干涉圖案，特別是對于更大的傳播距離z。現(xiàn)在，研究人員實際上應(yīng)用了像差校正，并獲得了眾所周知的貝塞爾-高斯光束的幾乎不受干擾的輪廓，見下圖(b), (c)和(d)描述了加工樣品，證明了直徑> 1毫米、內(nèi)外輪廓復(fù)雜的玻璃管單程切割概念的有效性。

圖2. 切割具有復(fù)雜內(nèi)部和外部輪廓的玻璃管

透明材料的選擇性激光蝕刻

超短脈沖體積修改和隨后對電介質(zhì)的選擇性化學(xué)刻蝕（稱為選擇性激光蝕刻(selective laser etching, SLE)）相結(jié)合，可以快速制造具有最小結(jié)構(gòu)特征的任意形狀的三維（3D）玻璃結(jié)構(gòu)，最小的結(jié)構(gòu)特征可低至10μm規(guī)模。

圖3

▲圖解：(a)熔融石英晶片（4英寸），厚度為350μm，具有通過選擇性激光蝕刻制成的直徑為0.25至6 mm的高質(zhì)量玻璃通孔。(b)激光入射玻璃側(cè)面的顯微鏡圖像確認(rèn)了高質(zhì)量的邊緣輪廓。(c)通過SEM圖像證明的無錐度玻璃通孔。

在激光加工過程中，沿著光束輪廓從光束的入口一直延伸到要加工的材料的出射側(cè)延伸的細(xì)長變型依次排列。修改后的體積通常顯示出比基礎(chǔ)材料高100倍的蝕刻速率。取決于要處理的相應(yīng)材料、適應(yīng)的脈沖能量、持續(xù)時間和受控的時空能量沉積策略可以制造出具有高蝕刻速率的高質(zhì)量，無錐度的2D幾何形狀。圖3（a）顯示了厚度為350μm的已加工熔融石英晶片，在該晶片中蝕刻了高密度的不同直徑（0.25至6 mm之間）的玻璃通孔（TGV）。通過施加30重量％。在溫度為80°C的超聲浴中獲得約20μm/ min的30 wt.％KOH蝕刻溶液。

透明材料的激光焊接

TRUMPF超短脈沖焊接產(chǎn)品組合包括一個超短脈沖激光源（TruMicro 2000系列）和TOP Weld光學(xué)元件。如圖4(a)中測得的剪切強(qiáng)度所示，這樣生成的焦點(diǎn)分布會導(dǎo)致更高的處理性能。焦距約230μm與最新的聚焦（高斯光束形狀）相比，z方向上的230μm大約高三倍，同時保持了與體積材料一樣高的斷裂穩(wěn)定性。

圖4

使用時間脈沖能量調(diào)制，甚至可以改善焊接性能。如Nakamura等人所示，脈沖能量的時間調(diào)制可以減少焊縫內(nèi)部和周圍的永久應(yīng)力，并允許較大的焊縫尺寸。添加了可以直接在TruMicro 2000系列的激光控制中設(shè)置的這項技術(shù)，可以將圖4(a)所示的焦距提高到300μm大猩猩玻璃杯。工業(yè)環(huán)境中焊接的另一個重要特征是間隙的橋接。如上所述，最新技術(shù)僅限于3μm。通過使用TOP Weld光學(xué)元件，間隙最大可達(dá)到7μm以及脈沖能量調(diào)制間隙甚至可以達(dá)到 10μm可以橋接。通過這種方式，可以解決消費(fèi)電子，生物醫(yī)學(xué)或MEMS設(shè)備封裝領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。

激光表面結(jié)構(gòu)和沖擊鉆

超短激光脈沖的鉆孔工藝可以滿足顯示器和電子行業(yè)高端應(yīng)用的需求。尤其是，微結(jié)構(gòu)的制造需要最高的精度和對工件的最小損壞。盡管要處理的材料千差萬別，從高吸收性材料到透明材料，該處理策略通?；诟咚菇裹c(diǎn)，該焦點(diǎn)使用掃描儀光學(xué)器件或光學(xué)器件對準(zhǔn)工件。盡管通常可以獲得高質(zhì)量的加工結(jié)果，但通常無法始終滿足有關(guān)效率和加工速度的行業(yè)要求。另外，多種應(yīng)用，例如在多層堆疊中制造盲孔或在金屬箔中形成通孔，都需要特定的處理限制。例如，將精細(xì)金屬掩模（FMM）用于制造OLED顯示器需要精確的矩形孔形狀以及定制的錐角，并最大程度地減少殘留顆粒污染。最后，可實現(xiàn)的吞吐量決定了超短脈沖激光平臺的實現(xiàn)。

圖5. 使用如圖所示的平頂光束輪廓進(jìn)行鉆孔的結(jié)果

▲圖6. 在FMM應(yīng)用中，可在Invar箔中鉆制的矩形孔的錐度可控制，厚度為10μm。使用波長為515 nm（左側(cè)）的微米級強(qiáng)度漸變平頂光束，可以實現(xiàn)額外的可調(diào)節(jié)性。

本文來源：Daniel Flamm et al, Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing, Optical Engineering (2021). DOI: 10.1117/1.OE.60.2.025105