從原理上進行分析和闡述
在(zai)這里，我們指(zhi)的(de)飛秒(miao)激(ji)光是指(zhi)脈(mo)寬為1-1000 fs（1 fs=10-15s）的(de)激(ji)光，其他激(ji)光是指(zhi)脈(mo)寬大(da)于(yu)1000 fs（1 ps）的(de)脈(mo)沖激(ji)光或連續激(ji)光。
激光加工(gong)過程中(zhong)需要考慮(lv)激光的波長、能量(liang)（或功率）、脈(mo)寬、頻譜、脈(mo)沖頻率、偏振、相(xiang)位等因素，同(tong)時還要考慮(lv)聚焦系統以及掃描速度(du)和方向，被加工(gong)對象(xiang)物質的組成、結構和形態，甚至是物質所處的環境(jing)條件(jian)如(ru)溫(wen)度(du)和氣氛。
脈(mo)寬(kuan)是其中(zhong)一個非常重要(yao)(yao)的(de)具有普遍影響的(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)參(can)數。飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)也主要(yao)(yao)是指現在(zai)用(yong)得較多的(de)鈦寶(bao)石(shi)以及(ji)Yb3+摻(chan)雜晶體和光(guang)(guang)(guang)(guang)纖激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器為主，波長在(zai)1 μm附(fu)近(jin)的(de)近(jin)紅外的(de)飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)。
?飛秒激光系統昂貴
飛秒(miao)激光現在已開始用(yong)于切割、鉆孔、焊接(jie)、打標(biao)、剝(bo)離、修復等(deng)加工領(ling)域。但目前實際應(ying)用(yong)較少(shao)，原因是(shi)飛秒(miao)激光的價格比長脈沖激光和連(lian)續激光要貴很多。
飛秒激光貴的原因主要有：
1）根據傅里葉變化關系，要產生超短飛秒脈(mo)沖必須具有寬光(guang)譜的增益介質，增益介質的帶寬決(jue)定了(le)最終能實(shi)現的脈(mo)寬。
2）飛秒激光脈沖一般(ban)需(xu)要通(tong)過鎖膜技術來實現，激光系(xi)統比較復雜(za)。
飛秒激光特性
飛秒加工有不少優勢，首先體現在精度高。
飛秒激光(guang)由于其脈寬很(hen)短，較低的(de)脈沖能(neng)(neng)量就可以(yi)獲得較高(gao)的(de)峰值功率（脈沖能(neng)(neng)量/脈寬），當用物(wu)鏡等進一步聚焦到材料時，由于焦點附近能(neng)(neng)量密度很(hen)高(gao)，能(neng)(neng)引起各(ge)種強烈(lie)的(de)非線性效應。
激光加工可以認為是一種激光誘導反應，原理上分為誘導分子振動和電子激發。前者是熱反應，后者與構成物質的原子外殼層電子關聯的化學鍵相作用。近紅外飛秒激光加工通過多光子過程，實現有空間選擇性的微觀結構操控，而不影響表面結構，這是飛秒激光加工的另外一個優勢。
一般情況下，在(zai)激光(guang)輻(fu)照下，電(dian)子(zi)吸收光(guang)子(zi)被激發的時(shi)間在(zai)fs范圍（脈沖作用過程中），隨后發生電(dian)子(zi)-聲子(zi)耦合，能量(liang)傳遞至晶格與晶格達到(dao)(dao)熱平衡的時(shi)間在(zai)幾個到(dao)(dao)幾十ps量(liang)級。熱擴散、材(cai)料(liao)熔融的時(shi)間尺度隨著材(cai)料(liao)的不同而(er)有所區別，基本在(zai)幾十到(dao)(dao)幾百(bai)ps的時(shi)間量(liang)級。材(cai)料(liao)表面燒蝕(shi)形成的時(shi)間為(wei)幾百(bai)ps到(dao)(dao)ns不等。
在納秒(miao)及皮秒(miao)激光(guang)(guang)作用(yong)下，電(dian)子氣(qi)中沉積的激光(guang)(guang)能量在激光(guang)(guang)脈沖照射材料(liao)(liao)的時間內就傳給晶格，從而引起材料(liao)(liao)的加熱、熔化甚至(zhi)燒蝕，過程中熱效應的作用(yong)明顯。正是(shi)由于(yu)飛秒(miao)激光(guang)(guang)的高精度和“冷加工(gong)”特性，它可以廣泛應用(yong)于(yu)微(wei)電(dian)子、航(hang)空航(hang)天等工(gong)業領域(yu)，也應用(yong)于(yu)醫療，如近(jin)視眼矯正、腦科手術等。
不同脈寬(kuan)激光在100 μm厚的(de)不銹鋼薄片上打孔的(de)效果
飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)作用于(yu)金(jin)屬時(shi)，由(you)于(yu)飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)脈(mo)沖寬度小于(yu)電(dian)子(zi)(zi)(zi)-聲子(zi)(zi)(zi)相互作用的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)尺度，電(dian)子(zi)(zi)(zi)吸收的(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)能量(liang)來不及傳(chuan)給(gei)離子(zi)(zi)(zi)就結束了。所以電(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)溫度很高而離子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)溫度還(huan)很低，飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)燒蝕(shi)金(jin)屬是一個非平(ping)衡燒蝕(shi)。雙溫模型和改進的(de)(de)(de)雙溫模型表(biao)明晶(jing)格(ge)(ge)的(de)(de)(de)溫度變化(hua)跟晶(jing)格(ge)(ge)熱傳(chuan)導(dao)和電(dian)子(zi)(zi)(zi)-晶(jing)格(ge)(ge)耦合有關。在高強度（≥1014W/cm2） 飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)作用下，材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)電(dian)離完成于(yu)脈(mo)沖作用時(shi)間(jian)（~100 fs）結束前(qian)，此時(shi)金(jin)屬和介質的(de)(de)(de)燒蝕(shi)機理是一樣的(de)(de)(de)。
飛秒激光是冷加工，其實是一個誤解
飛秒激光加工還與激光脈沖頻率有關。當將眾多的飛秒激光脈沖串起來準連續的脈沖陣列也就是脈沖頻率很高時，飛秒激光加工的剩余熱會產生熱累積效應。控制重復頻率則有望實現兼具飛秒激光和長脈沖或連續激光特征的多光子吸收和熱效應共存的三維結構制備，進一步拓展形成微納結構的種類與材料的功能。
飛秒激光在碲(di)酸鹽玻(bo)璃樣品(pin)中誘導的熱影響區域
上(shang)圖是250 fs, 800 nm, 500 kHz飛(fei)秒激光在碲酸鹽玻(bo)璃樣品中誘導的熱(re)影(ying)響區域的光學(xue)照片。誘導的結(jie)構(gou)呈現明(ming)顯的熱(re)效應，結(jie)構(gou)隨照射時間明(ming)顯增大(da)。
飛(fei)秒(miao)激(ji)(ji)光(guang)與材料相互作用(yong)過程(cheng)中，光(guang)子(zi)(zi)加熱(re)(re)(re)(re)電(dian)子(zi)(zi)（<1ps）和電(dian)子(zi)(zi)—聲子(zi)(zi)耦合(he)的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)尺度(du)（ps）遠小(xiao)于(yu)(yu)熱(re)(re)(re)(re)擴(kuo)散(san)的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)尺度(du)（>0.1ns），這(zhe)樣激(ji)(ji)光(guang)加工的(de)(de)剩余熱(re)(re)(re)(re)會(hui)產生(sheng)一個(ge)熱(re)(re)(re)(re)場。對于(yu)(yu)低重(zhong)(zhong)復(fu)頻率飛(fei)秒(miao)激(ji)(ji)光(guang)，由(you)于(yu)(yu)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)之間(jian)(jian)的(de)(de)間(jian)(jian)隔時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)較(jiao)長(chang)，在(zai)下(xia)一個(ge)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)到(dao)(dao)達材料的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)候(hou)，激(ji)(ji)光(guang)聚(ju)焦區域(yu)的(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)已經下(xia)降到(dao)(dao)環境溫(wen)(wen)度(du)。而(er)對于(yu)(yu)高(gao)重(zhong)(zhong)復(fu)頻率飛(fei)秒(miao)激(ji)(ji)光(guang)，由(you)于(yu)(yu)其脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)之間(jian)(jian)的(de)(de)間(jian)(jian)隔時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)較(jiao)短，當這(zhe)個(ge)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)短于(yu)(yu)激(ji)(ji)光(guang)照(zhao)射產生(sheng)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)場擴(kuo)散(san)所需的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)候(hou)，下(xia)一個(ge)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)到(dao)(dao)達樣品時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)，前一個(ge)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)產生(sheng)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)場還沒有完全消散(san)，就會(hui)導致熱(re)(re)(re)(re)量的(de)(de)累積作用(yong)。而(er)隨著照(zhao)射時(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)間(jian)(jian)的(de)(de)延長(chang)，激(ji)(ji)光(guang)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)數量的(de)(de)增(zeng)加，激(ji)(ji)光(guang)聚(ju)焦區域(yu)的(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)會(hui)逐漸(jian)升高(gao)，直(zhi)至到(dao)(dao)達動態平衡。高(gao)重(zhong)(zhong)復(fu)頻率飛(fei)秒(miao)激(ji)(ji)光(guang)照(zhao)射過程(cheng)中產生(sheng)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)場雖(sui)然(ran)會(hui)增(zeng)大激(ji)(ji)光(guang)誘(you)導微納結構的(de)(de)尺寸，但它對某些微納結構的(de)(de)形成也是至關重(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)。
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