一文看懂飞秒激光的原理与应用

1月5日消息，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）正在开发一种基于铥元素的拍瓦级激光技术，该技术旨在替代现有的极紫外光刻（EUV）工具中使用的二氧化碳激光器，并预计将光源效率提高约十倍。这一技术突破可能会为下一代“超越EUV”的光刻系统铺平道路，使得芯片制造速度更快且能耗更低。LLNL主导的“大口径铥激光”（BAT）技术针对这些问题设计。BAT激光器的操作波长为2微米，与二氧化碳激光器的10微米波长不同，这理论上能够提升锡滴与激光在相互作用时将等离子体转化为EUV光的效率。

另外，BAT系统使用二极管泵浦固态技术，比气体二氧化碳激光器在整体电效率和热管理上表现更为优越。根据行业分析公司TechInsights的预测，到2030年，半导体工厂的年用电量将达到54,000吉瓦（GW），超过新加坡或希腊的年用电量。如果下一代超数值孔径（Hyper-NA）EUV光刻技术投入使用，能耗问题可能会进一步恶化。因此，行业对更高效、更节能的EUV设备技术的需求将会持续增长，而LLNL的BAT激光技术无疑为这一需求提供了新的可能性。

 

飞秒激光器被誉为20世纪最伟大的发明之一，其主要特点包括：

方向性好：激光束可以被聚焦成非常细小的点，适用于精密加工。

单色性好：激光的波长非常单一，减少了色散的影响。

相干性好：激光的波相位一致，使得波可以叠加，增强了光的强度。

飞秒激光器的发展历程

20世纪70年代，首次在染料激光器中实现了飞秒级的激光脉冲。这标志着超短激光脉冲技术的初步发展。

20世纪90年代初，克尔透镜锁模技术在钛宝石激光器中的应用，导致了脉宽的进一步缩小和峰值功率的显著提升，使得飞秒激光技术得到了迅猛发展。

什么是飞秒(fs)？飞秒是时间单位，非常短暂：

1秒(s)=10^0s=1s

1纳秒(ns)=10^-9s=0.000000001s

1皮秒(ps)=10^-12s=0.000000000001s

1飞秒(fs)=10^-15s=0.000000000000001s

想象一下，光在如此短的时间，能跑多远？假设地球上有个人将激光笔对着月亮，大概1.3秒后，激光就会达到月球表面。当然得理想化一点，光没有散射或损耗。而对于1皮秒的时间，光也就只能走头发丝打个结的距离了。    

因此，飞秒激光在时间和空间上都展示了极高的精度，这使得它在科学研究、医学（如激光眼科手术）、材料加工、光通信等领域有着广泛的应用。

从激光器的功率变化来看，飞秒激光技术确实经历了三个主要发展阶段：

第一代-染料激光器（20世纪70年代）：

这代技术能够将脉冲宽度缩短到几十飞秒。

然而，由于染料激光器储能能力的限制，其脉冲能量仅为微焦耳（μJ），峰值功率也仅达到了兆瓦（MW）级别。

第二代-宽带固体激光介质（20世纪80年代）：

随着宽带固体激光介质的出现，特别是钛宝石（Ti:sapphire）激光介质的应用，飞秒激光技术得到了显著提升。

钛宝石激光器不仅提供了更高的稳定性和更短的脉宽，还提高了激光的峰值功率。

第三代-啁啾脉冲放大技术（CPA）：

由DonnaStrickland和GérardMourou提出的啁啾脉冲放大技术（ChirpedPulseAmplification,CPA）在2018年获得了诺贝尔物理学奖。

CPA技术允许激光脉冲在放大之前先进行频率扩展，然后再压缩回短脉冲，这种方法大大提高了激光的峰值功率。

通过CPA技术，飞秒激光的峰值功率可以达到拍瓦（PW，1PW=10^15W）级别，这对于激光物理和应用领域都有革命性的影响，如在激光加工、医学、和基础科学研究中。    

这三个阶段展示了飞秒激光技术在功率、脉宽和应用范围上的不断进步和突破。

啁啾脉冲放大技术（CPA）确实是超高峰值功率超短脉冲激光技术发展的一个重要里程碑。它不仅推动了超强超短激光和强场激光物理的研究领域，还促进了阿秒脉冲的产生。

第三代飞秒激光技术中的前沿技术-光参量啁啾放大技术（OPCPA）：

OPCPA技术进一步挑战了高峰值功率和高平均功率激光的极限，力求在激光物理和应用领域中取得更大的突破。

飞秒激光的脉宽范围从几飞秒到几百飞秒，这使得其在材料加工、化学反应诱导等方面具备高度的控制性，使得材料在特定区域内发生精确的物理和化学变化。

飞秒激光的优势

脉冲时间短：飞秒激光的脉宽通常小于电子与声子耦合的时间（1-100皮秒）。这意味着在这种极短的时间内，激光能量主要被电子吸收并迅速传递给晶格，而没有显著的热扩散。

热影响区最小化：由于飞秒激光脉冲时间极短，激光作用区域周围的热影响区（HeatAffectedZone,HAZ）可以忽略不计。这使得飞秒激光在材料加工中能够实现高质量的加工效果。

对比：图(a)展示了传统激光加工时材料的热影响区，显示了较大的热扩散区域。

图(b)则展示了使用飞秒激光加工时，材料的热影响区显著减少，甚至可以忽略不计，体现了飞秒激光在精密加工中的优势。    

这种技术的应用不仅在材料科学中开辟了新的加工方式，对微电子、生物医学、光学通信等领域也产生了深远的影响。飞秒激光技术的持续发展为科学研究和工业应用提供了更精确、更高效的工具。

近些年来，超短脉冲激光在精密加工领域备受关注。由于其脉宽短于绝大多数物理化学过程的特征时间（如电子弛豫时间和电子-声子弛豫时间），使得在制造过程中调控电子状态以及实现“非热加工”成为可能。与长脉冲激光相比，飞秒激光加工是一个非线性、非平衡过程，具有以下显著特点：

阈值效应明显。极小化热影响区。极小化重铸层。高可控性。

这些特性使得飞秒激光在过去十几年间被广泛应用于微纳制造领域。例如，它可用于加工：

光波导。表面微纳结构。微流体装置。微传感器。三维光子晶体结构。

飞秒激光微纳制造在生物医疗、新能源、汽车、大飞机等领域作为一种新型制造方法，受到了广泛关注。特别是对于微纳尺度的高品质孔，飞秒激光比传统加工方法更有效。

传统加工方法的局限性：

电子束加工和聚焦离子束：条件苛刻、效率低、设备昂贵。

电火花腐蚀：仅限于导电材料。

电化学打孔：效率极低，材料选择有限。    

机械钻孔：对硬材料加工困难，且深径比较小。

飞秒激光微孔加工的优点包括：

材料适应性广泛。非接触式加工。无污染。高精度。高效率。

对于30μm以下的微孔，飞秒激光是理想的加工手段之一。过去的十几年间，飞秒激光微孔加工一直是研究的热点，主要包括：

空气或真空中的直接钻孔。飞秒激光改性辅助化学腐蚀加工。液体辅助飞秒激光三维钻孔。

在应用中，选择加工方法时需要考虑微孔结构的质量、功能要求和成本等因素。其中，直接钻孔（即激光聚焦后沿激光传播方向打孔）是最常见、也最简单直接的激光微孔加工方法。

飞秒激光微孔加工现状

1985年，Strickland等人首次使用啁啾脉冲放大（ChirpedPulseAmplification,CPA）技术，获得了高峰值的超短脉冲激光。1991年，Spence等人发明了锁模钛宝石激光器，使得飞秒激光器的结构变得更加简单和稳定。此后，高功率飞秒激光器逐渐走向商业化，基于飞秒激光的应用研究也日益成为热点领域。

研究表明，与长脉冲激光加工中明显的熔化现象相比，飞秒激光在微孔加工中展示出以下优势：

高精度。极小化重铸。高可控性。可重复性。

不同脉宽时100μm的薄层钢材的钻孔结果。（a）200fs；（b）80ps；（c）3.3ns

飞秒激光还具有超高的瞬时脉冲能量和高光子密度，可实现材料的非线性多光子吸收。脉冲宽度为几飞秒到数百飞秒的飞秒激光能够在理想且可控的区域内诱发材料的化学和物理变化。飞秒激光器的一个关键优势在于，它可以通过在超短的时间内限制光与物质的相互作用，从而显著减少热影响区。由于其超高瞬时脉冲能量和高光子密度，当飞秒激光聚焦在基底上时，会发生非线性吸收。这些特性赋予了飞秒激光高精度3D微加工硬质材料的能力。    

展示了材料电子激发引起的单光子和多光子吸收过程：

单光子吸收：这种吸收过程仅在光子能量超过材料的带隙时才会发生电子激发。单光子吸收是线性的，只要材料受到照射，光吸收就会发生，无法精确地用于制造3D微结构。    

多光子吸收：当光子密度足够高时，即使单个光子能量低于材料的带隙，也可以发生电子激发。此过程是非线性的，因此飞秒激光可以利用这一特性在透明材料内部制造3D微结构。这种方法允许在材料的深层进行加工，而不受表面的限制，实现了真正的三维微加工。

（a）单光子吸收（黑色虚线）、3光子吸收（黑色虚线）和5光子吸收（红色实线）期间吸收的能量分布。孔径由红色虚线表示；(b) 玻璃中纳米级孔的 SEM 显微照片。红色圆圈表示 1/e2 焦点尺寸 [19]（经 PNAS 许可转载。2004 美国华盛顿特区国家科学院）。

材料对激光照射的响应在很大程度上取决于激光脉冲的能量密度。当激光能量显著超过基底的损伤阈值时，激光与物质之间的强烈非线性相互作用会引起材料的去除，这种现象被称为激光烧蚀。飞秒激光烧蚀由于热影响区很小，因此在半导体和金属的钻孔和切割中得到了广泛应用。然而，激光诱导的微纳米结构以及微结构表面的微纳米颗粒通常不能满足光学应用的要求：

微纳米结构：这些结构可能不平滑，影响光的传递和散射。    

微纳米颗粒：在表面上可能产生不规则的散射中心，影响光学性能。

为了提高这些表面结构的光滑度，通常需要进行后处理，包括但不限于：

热退火：通过加热来重新排列或熔化表面的微结构，达到平滑的效果。

蚀刻工艺：使用化学或等离子体方法去除表面不平整。

机械抛光：通过物理摩擦来平滑表面。

这些后处理步骤是必要的，以确保材料在光学应用中具有所需的性能和表面质量。

通用飞秒激光直写（FsLDW）系统的示意配置

飞秒激光微孔加工是一个复杂的过程，近十几年来，对于加工工艺中激光脉冲参数的影响进行了大量的研究。影响因素包括但不限于激光脉宽、脉冲通量、偏振方向、激光波长、脉冲个数、聚焦状态以及重复频率。这些参数在空域和时域两个方面对加工过程产生影响：

1）空域分布方面：

脉冲通量、激光波长、聚焦物镜、偏振方向、材料特性等决定了激光焦点达到阈值的区域。这些因素直接影响微孔的直径、深度和锥度。

高斯光束的飞秒激光烧蚀材料时，烧蚀面积取决于达到烧蚀阈值的面积。假设材料的烧蚀阈值一定，达到阈值通量的面积与脉冲通量的对数呈线性关系，这意味着微孔入口直径与脉冲通量直接相关。

紧聚焦物镜适用于加工较小的孔（例如直径小于10μm的孔和纳米孔），以减小入口。    

**松聚焦的物镜（通常是长焦距物镜）**则适用于加工高深径比的微孔，尽管入口可能增大，但加工深度会显著增加。

(a)材料加工时空聚焦示意图。这些图像是通过 FsLDW 在熔融石英中制造的微流体通道的横截面光学显微照片，其中 (b) 传统聚焦（XZ 或 YZ 平面）；(c) 时空聚焦（XZ 平面）和 (d) 时空聚焦（YZ 平面）[76]（经 OSA 许可转载。2010 美国光学学会）。(b–d) 中的比例尺代表 50 µm。

激光焦点相对材料的位置也会影响微孔加工的最终形态。

2）时域分布方面：

脉宽是影响微孔加工的重要因素。当激光能量被压缩到飞秒级的时间尺度时，产生了超高的功率密度，这种条件下的加工机理与长脉冲激光加工大不相同，能够突破衍射极限，实现亚微米孔结构的加工。

精确控制这些参数对于优化微孔加工的质量、效率和应用范围至关重要。    

加工示意图;（b）FIB和SEM相结合的测试系统示意图;（c）纳米孔结构截面SEM图

提高大深径比、高精度和高效加工已成为当前的趋势，将激光进行时域整形已成为研究的热点。在脆性材料中，通过产生脉冲序列，前序脉冲可以提高材料的塑性，后续脉冲通过一定的延迟可以更有效地对材料进行加工，从而提高了加工的深径比。    

（a）脉冲序列和（b）非脉冲序列下微孔加工结果光学图像

激光能量对加工效果的影响

激光能量对微加工效果的影响是多方面的，主要包括以下几个方面：    

加工深度和去除率：

激光能量越高，材料的去除率通常越大，单个脉冲可以去除更多的材料，从而增加加工深度。特别是在飞秒激光加工中，超高能量密度可以实现极高的去除率。

热影响区（HAZ）：

能量过高可能导致热影响区的扩大，尽管飞秒激光的脉宽极短，热影响通常较小，但如果能量过高，仍然可能引起材料的局部过热，影响加工质量。

材料变化：

高能量可以改变材料的物理和化学特性，如晶体结构、相变、蒸发等。适当的能量可以控制这些变化以达到所需的加工结果，而能量过高可能导致不可控的材料损伤或变形。

加工精度：

能量的精确控制是实现高精度加工的关键。过高的能量可能导致材料烧蚀不均匀，影响微结构的尺寸和形状精度。

表面质量：

激光能量影响烧蚀表面的粗糙度。低能量可能不足以有效去除材料，导致表面不平滑；而高能量则可能造成熔化、重铸层增加，降低表面光洁度。

非线性效应：

在超短脉冲激光加工中，如飞秒激光，由于高能量密度，可能会触发多光子吸收、克尔效应等非线性现象，这些效应会影响激光的聚焦和传播特性，进而影响加工效果。

加工效率：

能量的选择直接影响加工的速度和效率。在保持加工质量的前提下，适当提升激光能量可以提高生产效率。

材料特性：

不同材料对激光能量的响应不同。一些材料可能需要更高的能量来达到相同的加工效果，而另一些则对能量敏感，需要精细控制。    

(a-c) 脉冲能量 Ep = 300 nJ 时，不同 θ 值（激光束偏振方向与写入方向之间的角度）沿写入方向形成的长程周期性纳米结构的俯视 SEM 图像；(d) Ep = 900 nJ。在 0.5% HF 水溶液中蚀刻 20 分钟后，结构显露出来 [83]（经 OSA 许可复制。2005，美国光学学会）。

激光能量的选择需要根据具体的加工需求、材料特性、以及所期望的加工结果来决定。优化激光能量不仅能提高加工精度和效率，还能减少对材料的负面影响，如热损伤和表面粗糙度。

飞秒激光金属材料微孔加工工艺

金属材料微孔加工工艺将激光与材料的相对运动方式分为四类：单脉冲加工。叩击式加工。环切加工。螺旋钻孔。这些不同的加工方式在具体应用中各有其优缺点和适用场景。

单脉冲加工：通过工艺保证一个脉冲与材料作用后，直接形成所需的微孔。这种方法称为单脉冲加工。

通过工艺保证一个脉冲与材料作用后，直接形成所需的微孔，这种方法被称为单脉冲加工。单脉冲加工的效率极高，每秒可以形成上千个孔。工业中常使用单脉冲“飞行模式”打孔，即在脉冲激光与材料有一定相对运动速度的情况下，每个脉冲可以形成一个孔，沿扫描方向形成一系列孔结构。但是，由于单个脉冲去除量有限，这种方法适合加工较薄的材料或深度较小的盲孔。    

在电介质材料中，单个脉冲的烧蚀深度会随着通量密度的增加而增加，最终形成平底状的弹坑结构。但由于反射率的增加，烧蚀深度会达到一个极限不再继续增加。因此，要达到所需的深度，需要多个脉冲的连续作用，使得微孔深度逐步增加，这种方法被称为叩击式加工。在叩击式微孔加工中，激光可以沿孔壁多次反射，类似于光波导的方式传递到微孔底部，从而后续的脉冲可以进一步增加烧蚀深度。

不同脉冲个数的激光（150fs，800nm，3．0J／cm2）对聚碳酸酯材料微孔加工的SEM图。（a）1；（b）5；（c）100

飞秒激光加工因其热影响区小和加工质量高而备受关注。将激光线切割与微孔加工结合起来，便形成了环切加工。这种方法能够生产出高质量的环切微孔结构，其重复性和一致性都非常高。此外，螺旋钻孔的加工方式是在环切的基础上增加了深度方向的运动，适合加工直径较大的深孔。这种方法不仅提高了加工的精度，还能有效控制孔的深度和形状。    

硅材料上环切微孔加工

飞秒激光微孔加工是一个涉及多因素、非平衡的复杂过程，加工环境是其中一个不可忽视的关键影响因素。研究表明，真空、气体和液体等环境对微孔加工有着显著的影响。

由于飞秒激光具有超短脉宽和超高功率密度的特点，聚焦后的飞秒激光很容易达到空气的电离阈值（大约10^14W/cm^2），其强电场还会引起克尔效应，导致激光自聚焦现象。在空气中进行加工时，高功率密度超过电离阈值会电离空气产生大量自由电子，当自由电子密度大于10^18cm^-3时，形成空气电离等离子体。这些等离子体会导致激光散焦，与克尔效应引起的自聚焦相互平衡，形成光丝现象。然而，这种光丝状态的激光光束在传播过程中并不稳定，经过一定距离后会发生发散。因此，在深孔加工中可能会出现孔型弯曲和烧蚀饱和现象，影响孔的锥度、入口和出口直径的大小。    

空气环境和（b）真空环境下相同激光能量时，重复频率对出入口直径的影响；不锈钢材料上空气环境加工直径100μm高品质微孔的（c）SEM图和（d）孔型复制结构

在加工质量方面，飞秒激光在金属上打孔时，真空环境中制得的孔结构显得更加锐利清晰，而在空气中形成的结构则相对平滑。此外，研究表明，在真空环境下，碎屑更容易排出，因此材料的重铸层较小，孔的入口保持干净。在空气环境中，碎屑可能堆积在孔的入口周围，导致入口处不平整或质量下降。

铜材料微孔入口SEM图。（a）空气环境；（b）真空环境

在空气环境中加工时，出口直径随着激光重复频率的增加而增大。这是由于随着频率的增加，金属碎屑和颗粒不能充分喷出，这些碎屑降低了空气电离的阈值，进而产生更多的空气电离等离子体，造成光丝现象。残留在孔内的碎屑和等离子体对孔壁产生二次作用，加上激光的扰动和发散，导致出口直径增加。相反，入口直径随着重复频率的增加而减小，直到与真空条件下的大小相近。这是由于金属材料和空气被快速加热，气体密度降低，在入口处创造出准真空环境，从而提高了入口质量并减小了锥度。    

在空气环境下，能够加工出高品质的微孔，特别是在直径和锥度的控制方面，展示了飞秒激光在工业微孔加工中的应用前景。

在飞秒激光微孔加工时，为了避免空气电离带来的负面影响，除了使用真空环境之外，还可以采用在加工材料表面覆盖一定厚度液体的辅助方法。液体可以有效地带走加工产生的碎屑，从而提高加工质量。在相同能量下，辅助水膜的厚度越小，加工效率就越高。通过使用挥发性液体，可以获得更薄的液膜，进一步增强水膜的辅助效果。然而，液体辅助微孔加工方法中仍然存在一些未解决的问题，如激光能量被水吸收而损失，液体和气泡对激光光束的散射等。    

使用 10 M (35.8%) KOH 水溶液 (20 mL) 和 2.0% HF 水溶液 (20 mL) 拍摄的石英玻璃基板 (9.2 mm × 10 mm × 0.5 mm) 蚀刻轮廓的反射光学显微照片。左侧的光学显微照片显示了在 80 °C 的 KOH 中浸泡 60 小时后制作的通道，然后使用飞秒脉冲序列（间隔：0.1 μm）通过 40× 物镜（NA：0.65）在表面以下 10 μm 处进行照射在(a) 500的不同激光功率下；(b) 400；(c) 300；(d) 200；(e) 100 nJ/脉冲。右上角的光学显微照片显示了环境温度下 HF 水溶液中通道形成的时间演变（显示通道的两端）。通过40×物镜(NA：0.65)以360nJ/脉冲的激光功率照射样本，并将样本浸入溶液中(f)24；(g) 48；(h) 72 小时。右下角的 FE-SEM 图像显示了 (a) 中所示位置最左侧通道的横截面。在(i)和(k)中；通道是开放的，而 (j) 中；该通道仍然充满沉淀物 [85]（经 ACS 许可转载。2009 美国化学会）。    

超短脉冲激光微孔加工的应用前景

激光微纳制造是制造技术的前沿和一个重要的发展方向，为我国的航空航天、能源、国防、汽车、生物、医疗等多个领域提供了重要的制造技术支持。激光微孔制造是突破这些领域中许多核心部件制造技术瓶颈的理想方法。例如：

航空航天燃气涡轮叶片上的气膜微孔：用于冷却涡轮叶片，提高其性能和寿命。

惯性约束聚变（ICF）点火工程中的点火靶充气微孔：精确控制气体填充，确保聚变反应的成功。

高灵敏度传感器微孔结构：在传感技术中，微孔结构可以增强传感器的响应性和精度。

发动机喷油嘴微孔：控制燃油喷射，优化燃烧效率，减少排放。

（a），（b）燃气轮机叶片气模微孔；（c）光纤布拉格光栅传感器微孔；（d）用于惯性约束聚变的靶球微孔；（e）发动机喷油嘴微孔；（f）马赫曾德尔干涉仪传感器微孔

这些应用显示了超短脉冲激光在微孔加工中的广阔前景，进一步推动了其在高精度、高效率制造中的应用。    

微孔加工在航空燃气涡轮叶片上的应用前景

在航空航天领域，燃气涡轮是航空发动机的关键部件之一，其性能直接影响发动机的整体表现。航空发动机涡轮叶片的工作温度至少达到1400℃，因此必须采用有效的冷却技术来保护叶片。冷却通常通过在叶片上打大量的不同直径的气膜孔来实现，这些孔径一般在100～700μm之间。像SGT5-8000H燃气轮机叶片，其气膜孔的空间分布复杂，定位精度要求高，孔的角度变化大（15°～90°），为了提高冷却效率，孔的形状可能是扇形或矩形，这大大增加了制造的难度。

目前，涡轮叶片打孔的主流方法是高速电火花，但这种方法有诸多限制：

工具电极制作困难且易损耗。加工材料必须是导电的。加工速度较慢，控制系统复杂。排屑困难，不易散热，容易产生微裂纹和较厚的重铸层，不适合大批量生产。

此外，现代叶片通常需要覆盖一层热障涂层（如氧化锆或陶瓷材料），传统的电火花方法难以加工这样的微孔，这对高性能叶片制造提出了全球性挑战。随着未来涡轮叶片可能更多使用非金属材料，电火花加工将不再适用。相比之下，飞秒激光钻孔具有以下优点：

材料适应性广泛。非接触加工，不产生机械应变。无大面积热应变，定位精度高。适合加工复杂孔型和高精度群孔。极小化重铸层和微裂纹。

因此，飞秒激光是当前最有效的加工技术，也是未来涡轮叶片制孔的首选技术。

在新能源领域，聚变核能是人类追求的清洁能源之一，而点火靶充气微孔的制造是其中关键的一环。微靶材料如铜铍合金（或玻璃、陶瓷、聚苯乙烯塑料）需要在其上加工出非常小的孔（直径从数微米到十几微米），对孔的尺寸、圆度、锥度、深径比、位置精度、重铸层厚度、残留物和表面粗糙度要求极高。传统的微孔加工技术如电火花、聚焦离子束、扫描探针等在这些高要求下不适用。飞秒激光以其高精度和可控性，成为这种微结构加工的理想工具。

在工业应用中，汽车发动机技术的发展依赖于供油系统的改进，其中喷油嘴的微孔加工质量直接影响燃油效率。从前的电火花加工已经被纳秒激光取代，而随着激光器成本的降低，皮秒激光开始在工业中取代纳秒激光。飞秒激光以其高精度和高质量的加工能力，也在微器件制造中大显身手，如在光纤上加工微孔，制造高灵敏度传感器（如布拉格光栅传感器和马赫-曾德尔干涉仪传感器）。

通常情况下，微孔结构的尺寸在满足功能需求的前提下尽可能减小，以增强结构的稳定性。随着新设备和新结构的不断涌现，制造水平的提升，微孔的尺寸需求从微米级别缩小到亚微米甚至纳米级别。如何加工出高深径比的微纳米孔已成为近年来的研究热点。同时，微孔的品质要求也在提升，包括形状、圆度、锥度、深径比、位置精度、加工区重铸层厚度、微裂纹以及内外表面粗糙度等。然而，在实际应用中，不同尺度下的微孔加工很难同时兼顾精度和效率，这在一定程度上制约了飞秒激光微孔加工的发展。    

飞秒激光在工业应用中的发展历程

1996年，Chichkov等人对钢、硅、铜的薄层材料进行了不同脉宽的对比实验。他们发现，飞秒激光加工的微孔入口质量非常高，而长脉冲激光加工则以热扩散为主导，表现出明显的熔化和重铸现象。这一对比结果引起了广泛的关注，并进一步推动了飞秒激光在微加工领域的研究和应用。

2006年，ExtrudeHoneLaserTechnologies（宾夕法尼亚州欧文）和通用原子公司（加利福尼亚州圣地亚哥）使用二极管泵浦固态(DPSS)纳秒激光器为国防部生产了基于激光的柴油喷嘴钻孔系统。此应用的绿色光谱（532nm）。

到2012年，飞秒激光器开始用于矫正视力应用，但这些激光器在办公室环境中每天使用几次，而不是在工厂24/7全天候使用。

2012年7月，美国能源部(DOE)向一个公司联盟拨款370万美元，用于开发新兴的超快脉冲（UFP；也称为超快）激光技术，以构建下一代汽车燃油喷射器制造工艺。

当时，脉冲宽度为飞秒范围的UFP激光器更多地用于科学实验而不是工业用途。1987年，BillClark博士率先将UFP激光器商业化，产品面向科学仪器市场。他的公司Clark-MXR（密歇根州德克斯特）继续开发出第一台可在工业环境中运行的用于微加工的飞秒激光器。

飞秒是秒脉冲光的万亿分之一，其速度比零件吸收热量的速度还要快，被称之为无热加工，也称为无热烧蚀，能够以极快的速度去除微小的材料斑点，而不会造成热损坏，从而使新的GDI喷孔设计成为可能。    

光速加工不仅有望使喷油器设计能够经济高效地加工，还希望该工艺能够消除精密制造过程中最昂贵和最耗时的挑战之一——后处理以去除缺陷。

美国能源部写道：“能源效率预计将提高20-25%，周期时间可能会大幅缩短。”“不需要消耗品，这降低了与生产相关的材料成本和能源。此外，该过程将消除后期生产及其相关化学品的使用。这项技术可能会对不同的制造行业产生广泛的影响。”

当时用于喷油器加工的传统技术是放电加工(EDM)，其工作原理是在放威廉希尔官方网站 径中腐蚀材料，从而在电极和工具之间形成电弧。现有的制造工艺，即机电放电加工，速度慢、成本高，并且需要使用多种化学品来钻孔，并去除因工艺过程中产生的热量而产生的熔化、毛刺和重铸缺陷。

美国能源部表示：“传统加工平台不太适合生产精度要求高的小零件。”“当前的加工方法通常太大、太不灵活，并且缺乏制造具有复杂形状或微米尺寸特征的零件所需的精度。

GDI喷嘴的直径约为200μm，大约与人的头发直径相同。边缘质量、表面质量、圆度和锥度等尺寸如果控制得当，可以用更少的燃料提供更多的燃烧。

汽车制造商面临的另一个挑战是在制造过程中控制零件的能力。激光的精确度取决于所使用的运动控制系统，创造出具有微米级精度的可靠、可重复的机器代表了一个重要的里程碑。美国能源部表示：“将激光与高精度机械手相结合将实现自动化，从而加快加工过程。”

由美国能源部赞助的为燃油喷射器创建新制造工艺的公司包括Microlution，该公司构建了一个带有集成UFP激光器的微加工工作站。工作站的任务是非常精确地控制控制部件的运动（以确保微观精度）。此外，该系统将完全集成三项关键技术的控制：1)机器运动，2)UFP激光器，3)先进的5D扫描仪。该平台不仅需要控制毛坯燃油喷射器部件，还需要确保稳定性，不会干扰生产制造环境中历史上非常脆弱的激光束。热稳定性和惯性稳定性是在几天、几个月和几年内实现高工艺能力指数(CPk)生产标准的重要关键。

2015年，能源部发布了该项目的报告，指出该团队“已成功采用该技术来制造GDI喷射器”。美国能源部报告了以下计划目标：开发出满足目标转速超过200Hz、攻角80%以上的一体化激光和扫描头（已完成）；与现有微加工工艺（已完成）相比，在<8中演示了喷油器喷射孔的钻孔，机器时间总体周期时间减少了50%，且质量没有下降；与标准微加工工艺相比，激光加工效率提高了20-25%（已完成）；和生产的燃油喷射器通过了冷启动发动机测试，并将技术推向生产环境（2014年完成并被汽车制造商采用）。    

美国能源部表示：“因此，该项目的完成最终将带来一种制造方法，为多个市场的难加工材料提供减少的工艺步骤和能源消耗。”“Microlution将专注于与电子和生物医学行业相关的平台开发应用。”

在工业激光器中，皮秒激光器、飞秒激光器以及在科学研究中备受瞩目的阿秒激光器，都属于超快激光的范畴。那些脉宽介于几十皮秒到1纳秒之间的激光器，业内人士不会称之为超快激光，而是称为亚纳秒激光器。

进一步分类，超快激光器根据其波长的不同，可以细分为红外皮秒激光、绿光皮秒激光、紫外皮秒激光等。

激光在先进制造领域的应用

干法刻蚀是半导体工艺中图案转移的重要手段，通过刻蚀气体与材料的物理或化学反应来去除不需要的材料。以下是几种常见的干法刻蚀类型：

离子束刻蚀（IBE）：利用离子束直接物理撞击材料表面进行刻蚀。

反应离子刻蚀（RIE）：结合了物理溅射和化学反应的优点，通常用于精细图案的刻蚀。

电感耦合等离子体（ICP）刻蚀：通过电感耦合产生的高密度等离子体进行刻蚀，适用于需要高各向异性刻蚀的情况。

对于硬脆材料的干法刻蚀方法，这里提供了一张总结表（虽然没有直接引用图表，但可以想象如下内容通常会包括：    

 

刻蚀类型	适用材料	优点	缺点
IBE	硬质金属	高各向异性	低选择性
RIE	硅、氧化物	选择性好	可能产生微粒
ICP	各种硬质材料	高速率、高均匀性	设备复杂

 

飞秒激光加工与干法刻蚀

飞秒激光加工可以制造任意图案的掩膜。将这些图案通过干法刻蚀转移到基底材料上，可以实现高精度结构的制造。以下是一个应用实例：

通过特定的结构设计，干法刻蚀可以制造出复杂的真三维结构。例如，研究人员使用一种角度刻蚀方法在ICP系统中，成功制备了高质量的金刚石三维结构。这种方法通过精确控制刻蚀参数，实现了对金刚石这种硬脆材料的高精度加工，展示了干法刻蚀在复杂结构制造中的潜力。

这种结合飞秒激光与干法刻蚀的技术，为微纳制造提供了强大的工具，适用于需要高精度和复杂结构的应用场景。

飞秒激光加工因其高精度和灵活性，可以制造出任意复杂图案的掩膜。这些掩膜在经过干法刻蚀后，能够将图案精确地转移到基底材料上，从而实现高质量的结构制备。    

通过巧妙的结构设计，干法刻蚀技术能够制造出复杂的真三维结构。例如，研究人员开发了一种角度刻蚀方法，并将其应用于电感耦合等离子体（ICP）系统中。这种方法允许在硬质材料如金刚石上进行精确的三维结构加工，制备出高质量的金刚石三维结构。这些结构的制造不仅依赖于刻蚀过程的控制，还涉及到对激光加工的精细调控，以确保掩膜图案的精确性和刻蚀的均匀性。    

    

(a) Foturan 或熔融石英玻璃微流体结构的制造程序示意图；(b) 多孔玻璃中的微米或纳米流体结构；(c) 玻璃上的微电子结构；(d) 通过双光子聚合 (TPP) 在玻璃基板上形成 3D 聚合物微米和纳米结构。

利用了双光子聚合技术在蓝宝石表面制造聚合物微/纳米结构。随后，通过干法刻蚀将这些聚合物结构转移到蓝宝石基底上。这种方法不仅实现了在蓝宝石非平面上的复杂结构制造，还确保了这些结构具有超平滑的表面。

由于干法刻蚀在图形转写方面的极高保真性，结合飞秒激光加工技术，这种联合方法在硬脆材料的微/纳米结构制备上显示出巨大的应用潜力。这种技术可以用于制造高精度的光学元件、微流控装置、传感器等，在光电子、生物医学和高精度制造领域中具有广泛的应用前景。这种结合了飞秒激光和干法刻蚀的工艺，为材料科学和微纳加工领域开辟了新的可能性，特别是在需要高精度、复杂几何形状的应用中，如光子学设备、微电子器件和生物医学传感器等。

(a) 大块玻璃内仅包含振荡器的飞秒激光微加工波导的光学显微照片。插图显示了波导的一个端面 [80]（经 OSA 许可转载。2001 美国光学学会）；(b) 使用 FsLDW 在玻璃中制造的球状光学微腔的 SEM 图像 [104]（经 OSA 许可复制。2013，美国光学学会）；(c) 通过飞秒激光微加工结合化学蚀刻由单块熔融石英制成的微执行器的 SEM 图像 [105]（经 AIP 许可转载。2012，美国物理研究所）；(d) 通过飞秒激光诱导化学镀生产的玻璃基板上的图案化银微威廉希尔官方网站 的 SEM 图像 [106]（经 Wiley 许可复制。2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA，Weinheim）。    

分别使用 FsLDW 在多孔玻璃中制造 3D 被动微流体混合器，在熔融石英中制造 3D 流体动力学网络。(a) 微流体混合器的光学显微照片；(b) 两个混合单元的示意图；(c) 两个混合单元的俯视光学显微照片。(d) 1D 和 (e) 3D 微流体混合实验的荧光显微镜图像（经 RSC 许可复制。2012 英国皇家化学学会）；(f) 3D水动力聚焦网络示意图[95]；(g) 所制造器件的顶视图和 (i) 侧视图光学显微照片；(h) 俯视图和 (j) 侧视光学显微照片，显示样品/鞘压力比为 0.55 时实现的水平和垂直方向的流动限制。(g–j) 中的比例尺代表 100 µm [120]。（经 RSC 许可转载。2014 英国皇家化学学会）。    

(a) 连接到外部电源的 3D 微流体结构中形成的电气布线威廉希尔官方网站 的示意图；(b) 使用 FsLDW 在 Foturan 玻璃芯片中制造的电流体装置的照片（由Jian Xu 提供）；(c)化学镀铜后350μm高侧壁上金属结构的45°倾斜SEM图像；(d) 熔敷金属微观结构的 SEM 图像。插图显示了更高放大倍率的图像。在施加电场之前，微流体通道中眼虫细胞的电定向（e）；(f) 当施加电场（~20 Vp-p，0.9 MHz）时和 (g) 当电场关闭时。所有图像中的电极间距均为 500 μm [99]（经 RSC 许可复制。 2013 英国皇家化学学会）。    

(a) 微流体通道内银SERS基底的制造过程示意图；(b) 可见光（514.5 nm）激发下目标分子检测的应用；(ce) 集成到微流体通道中的银 SERS 基底的 SEM 图像；(f) 在插图 [137] 光学显微照片所示位置测量的对氨基苯硫酚 (p-ATP) 拉曼光谱（经 RSC 许可复制。 2011 英国皇家化学学会）。    

(a) 为藻类的快速筛选、实时监测和初步分类而设计的生物传感器的示意图；(b) 现场采集样品中碎屑（其他藻类、植物物质）中实验室培养的蓝藻（绿色球体/椭圆形）的显微照片。比例尺代表 100 μm [139]（经 RSC 许可复制。 2012 英国皇家化学学会）。使用（c）透射率和（d）荧光发射进行细胞检测的示意图；(e) 红细胞 (RBC) 穿过微通道，在流动中形成一条直线 [122]（经 RSC 许可复制。 2009 英国皇家化学学会）；(f) 用于 DNA 分析的 3D 纳米流体装置示意图；(g) 多孔玻璃中制造的纳米通道的横截面 SEM 显微照片 (h) 显示宽度为 50 nm 的纳米通道阵列中 λ-DNA 拉伸的荧光图像 [96]（经 RSC 许可复制。 2013 英国皇家学会化学）。

分别使用 FsLDW 进行波导-微流体集成和微光-流体集成。(a) 用于将光波导添加到用于毛细管电泳的芯片实验室装置的FsLDW方法的示意图；(b) 光波导在微通道中激发的荧光信号的光学显微照片。对应于 (c) 10 nM 和 (d) 1 nM 染料标记寡核苷酸的电泳图，由片上检测系统在分离通道末端测量[125]（经 RSC 许可复制。2009 英国皇家化学会）；(e) 将光纤锥度 CO2 激光焊接到 FsLDW 制造的微谐振器上的示意图；(f) 焊接到侧壁的光纤锥度的侧视光学显微照片。即使在弯曲时，光纤仍粘附在微环形线圈上。请注意，微环形线圈是在两个开放通道的交叉点处制造的；(g) 焊接到微环侧壁的光纤锥体的特写 SEM 图像；(h) 不同盐浓度下约 1557 nm 处的光学吸收带 [128]（经 OSA 许可复制。2014 美国光学学会）。    

分别由 FsLDW 制造的基于微流体和表面增强拉曼散射 (SERS) 的光纤传感器。(a–c) 在单模光纤中制造的微流体通道和 (d–g) 在多模光纤尖端上制备的 SERS 探针，用于传感应用。光纤内微通道的 (a) 俯视图和 (b) 横截面图的光学显微照片；(c) 通过微流控光纤装置传输的不同微通道折射率的归一化光功率[143]（经 OSA 许可复制。2006，美国光学学会）；(d) 飞秒激光烧蚀光纤端面的 SEM 图像。插图显示了涂覆在结构化表面上的银纳米粒子的 SEM 图像。使用1米长光纤SERS探针获得不同浓度R6G溶液的拉曼光谱：(e) 10−6 M；(f) 10−7 M（为方便查看而乘以5）；(g) 10−8 M（为了便于查看，乘以 10）。插图显示了 1511 cm−1 处的 SERS 强度对 R6G 浓度的依赖关系 [103]（经 OSA 许可转载。2009 美国光学学会）。    

(a)倾斜微光栅的SEM图像；(b) 微透镜；(c) 使用 FsLDW 在光纤尖端上通过光聚合形成微棱镜 [101]（经 IOP 许可复制。2012，物理研究所）。

飞秒激光玻璃微加工已成为生产微流体传感器的强大技术。特别是，它允许将不同的组件合并到单片芯片中，以创建新的令人兴奋的功能。与现有技术相比，该方法基于超短持续时间的独特MPA工艺，具有消除热扩散、内部处理、亚衍射极限分辨率和多功能集成能力的优点。它已成功用于制造各种集成微流控传感器，例如复杂的 3D 微流控和纳米流控网络、电流体和光流控传感器、SERS 芯片和 LOF 器件。

为了满足低损耗光学和平滑流体应用的要求，需要改进的方法来平滑多孔玻璃基板中制造的器件的内表面。现有的退火、氧/氢火焰抛光、CO 2激光回流等方法已经能够制造光学透镜和微谐振器的光滑表面以及较大直径（即直径数十微米）的微流体通道的光滑内壁。当微流体结构尺寸减小时，它们的效率会变得越来越低。此外，尽管多孔玻璃的横向特征尺寸已达到λ/20，但在玻璃基板中创建全纳米级尺寸的纳米流体通道仍然具有挑战性。使用 FsLDW 的选择性金属化预计将应用于各种传感应用，例如电流体、SERS 传感器和等离子体。然而，尽管侧壁金属化已被成功证明，但在封闭微流体通道中制造 3D 独立式金属结构尚未成功。

面对这些挑战，必须寻找新的制造思路和方法，推动飞秒激光在微孔加工中的应用，以支持极端制造工艺的发展。例如：

通过双光子吸收突破衍射极限：可以形成亚微米尺度的孔。

通过微光丝作用在电介质上：制造高深径比的亚微米孔结构，进一步缩小制造尺度极限。

通过脉冲序列技术，可以实现对电子状态的调控，控制光子的吸收、电子激发和自由电子密度的分布，延长能量吸收时间，避免电子过热，同时瞬间改变材料的局部特性，从而大幅提高微纳加工的精度、效率和可重复性。控制加工中的相变机理，抑制融化和重铸，成为提高微孔加工质量的研究热点，也是一项新的理论和实验挑战。

飞秒激光微孔加工多种工艺的共同发展    

直接微孔加工：在材料表面使用飞秒激光直接加工微孔。飞秒激光的非线性吸收特性也使其适用于在透明材料内部制造三维微孔结构。

液体辅助加工：通过在透明介质的后表面直接烧蚀来制造微孔，液体可以清除加工产生的碎屑，且激光在传播过程中不受微孔或等离子体的影响，形成锥度极小的深孔。超声辅助和光束整形等方法可以进一步优化加工效果。

飞秒激光辅助湿法刻蚀：首先用飞秒激光在透明介质内部进行改性处理，然后通过化学刻蚀来形成三维微结构。由于改性区域的刻蚀速度远高于未改性区域，可以显著提高微孔的深径比。合理设计扫描路径、能量和辅助结构，可以加工出任意长度且直径均匀的微孔。此外，湿法刻蚀作为一种加工后处理方法，可以大大提高结构表面的光洁度，形成高质量的大深径比微孔。然而，这种方法仅适用于透明材料，且需要考虑湿法刻蚀对特殊功能结构的潜在损害。

因此，多种工艺方法的共同发展是必要的，以应对不同需求，选择合适且高效的加工方法，这是飞秒激光微孔加工研究的重点之一。这些应用场景显示了飞秒激光在微孔加工领域的巨大潜力和广阔前景。

由于稳定、可靠、高输出功率的飞秒激光系统的发展，飞秒激光加工已经应用于汽车、电子和医疗领域的一些工业和商业应用。

越南激光设备市场迎来快速增长升级阶级

越南的激光设备市场正处于快速增长阶段，这主要得益于以下几个关键驱动因素和行业趋势：

1. 市场驱动因素

工业化和制造业增长          
越南是东南亚制造业的热点地区，吸引了大量外资。激光设备在制造业中的广泛应用（如切割、焊接、打标等）推动了市场需求。

电子和半导体行业的扩张          
越南电子制造业（如手机、家电和半导体领域）对高精度激光加工设备的需求持续增长。

政府支持与政策倾斜          
越南政府鼓励高新技术和智能制造的发展，减免相关进口关税和提供投资优惠政策，吸引了众多激光设备制造商进入市场。

汽车工业的发展          
越南汽车市场近年来增长迅速，对激光切割和焊接设备的需求增加，特别是在新能源车（EV）领域。    

2. 主要市场领域

金属加工行业          
激光切割设备广泛应用于越南的机械和建筑行业，用于金属板材加工。

电子制造          
激光打标和微加工设备是越南电子工业不可或缺的一部分，特别是在高精度的PCB生产中。

医疗器械和美容行业          
激光技术也被用于生产高精度医疗设备，同时美容激光设备在越南市场需求逐渐增长。

3. 主要市场参与者

国际品牌          
大型国际激光设备制造商，如 IPG Photonics、TRUMPF、Coherent、Bystronic 等，已经进入越南市场，为高端需求客户提供解决方案。

中国品牌          
越南激光设备市场中，中国品牌如锐科激光、大族激光、华工激光等，凭借性价比高的产品，已占据重要市场份额。

本地供应商          
越南本地制造商和分销商也开始涉足激光设备市场，但主要集中在中低端产品领域。

4. 面临的挑战

技术依赖          
目前越南本地企业在激光技术的研发和制造上仍依赖进口。

价格竞争          
中国激光设备厂商的低价竞争使得国际品牌和本地企业面临利润压力。

技术人才不足          
越南在高精密激光设备操作和维护方面的专业技术人才相对短缺。

5. 未来趋势

高端化和自动化需求          
随着工业升级，越南市场对高功率、全自动化激光设备的需求将进一步增长。    

本地生产能力增强          
越南会吸引更多激光设备制造商设立本地工厂，从而降低设备成本和缩短交付时间。

行业多元化          
激光技术的应用将逐渐扩展至新能源、航天、医疗等新兴领域。

出口潜力          
越南作为东盟的重要成员国，有望成为激光设备出口的区域枢纽。