從原理上進行分析和闡述
在這里，我們指的飛秒激(ji)光(guang)(guang)是(shi)指脈(mo)(mo)(mo)寬為1-1000 fs（1 fs=10-15s）的激(ji)光(guang)(guang)，其他(ta)激(ji)光(guang)(guang)是(shi)指脈(mo)(mo)(mo)寬大于1000 fs（1 ps）的脈(mo)(mo)(mo)沖激(ji)光(guang)(guang)或連續激(ji)光(guang)(guang)。
激光加工過程(cheng)中需(xu)要考(kao)慮激光的波長、能量（或功率(lv)）、脈(mo)寬、頻譜(pu)、脈(mo)沖(chong)頻率(lv)、偏振、相(xiang)位等因素(su)，同時還要考(kao)慮聚焦系統以及掃描速度和方向，被加工對象物質的組成、結構和形態，甚至是物質所處的環境條(tiao)件(jian)如溫度和氣氛。
脈(mo)寬是其中一個(ge)非常重要的(de)具有普遍影響的(de)激(ji)光(guang)(guang)參數。飛秒(miao)激(ji)光(guang)(guang)也主(zhu)要是指現(xian)在用得(de)較多(duo)的(de)鈦寶石(shi)以及Yb3+摻(chan)雜晶體和光(guang)(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)(guang)器為主(zhu)，波長(chang)在1 μm附近(jin)的(de)近(jin)紅外的(de)飛秒(miao)激(ji)光(guang)(guang)。
?飛秒激光系統昂貴
飛秒激(ji)(ji)(ji)光現(xian)在已開始用于(yu)切(qie)割、鉆孔、焊接、打(da)標、剝離、修復等加工領域。但目前(qian)實際(ji)應(ying)用較少，原因(yin)是飛秒激(ji)(ji)(ji)光的價格比(bi)長(chang)脈沖(chong)激(ji)(ji)(ji)光和(he)連續(xu)激(ji)(ji)(ji)光要貴(gui)很多。
飛秒激光貴的原因主要有：
1）根據(ju)傅里葉變化關系，要產生超短飛秒脈沖必(bi)須具(ju)有寬光(guang)譜的增益介質(zhi)，增益介質(zhi)的帶寬決定了最終能實現(xian)的脈寬。
2）飛秒激光(guang)脈沖一(yi)般需(xu)要(yao)通過鎖膜技術來實現，激光(guang)系(xi)統(tong)比較復雜。
飛秒激光特性
飛秒加工有不少優勢，首先體現在精度高。
飛(fei)秒激光由于(yu)其脈寬很短，較(jiao)低的脈沖(chong)能量(liang)就可以(yi)獲得較(jiao)高的峰值功(gong)率（脈沖(chong)能量(liang)/脈寬），當用物鏡等(deng)進(jin)一步聚焦到材料時(shi)，由于(yu)焦點附(fu)近能量(liang)密度很高，能引起各種強烈的非線(xian)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(yi)般情況下(xia)，在(zai)激光(guang)輻照(zhao)下(xia)，電子吸收光(guang)子被(bei)激發的(de)時(shi)間(jian)(jian)(jian)在(zai)fs范圍(wei)（脈(mo)沖作用過程中），隨后發生電子-聲子耦合(he)，能量傳遞(di)至(zhi)晶(jing)格與(yu)晶(jing)格達(da)到熱(re)平(ping)衡的(de)時(shi)間(jian)(jian)(jian)在(zai)幾(ji)個(ge)到幾(ji)十ps量級。熱(re)擴散、材(cai)料熔融的(de)時(shi)間(jian)(jian)(jian)尺度隨著材(cai)料的(de)不同而有(you)所區別，基(ji)本在(zai)幾(ji)十到幾(ji)百(bai)ps的(de)時(shi)間(jian)(jian)(jian)量級。材(cai)料表面燒蝕(shi)形(xing)成的(de)時(shi)間(jian)(jian)(jian)為幾(ji)百(bai)ps到ns不等。
在納秒(miao)及皮秒(miao)激光(guang)作(zuo)用(yong)下，電子氣中沉積(ji)的激光(guang)能(neng)量在激光(guang)脈沖照射(she)材料的時(shi)間內(nei)就傳給(gei)晶格，從而引起材料的加熱、熔化甚至燒(shao)蝕，過程中熱效應的作(zuo)用(yong)明顯。正(zheng)是由于(yu)飛秒(miao)激光(guang)的高精度和“冷加工”特性，它(ta)可以廣泛應用(yong)于(yu)微電子、航空(kong)航天等(deng)工業領域，也應用(yong)于(yu)醫療，如近(jin)視眼矯正(zheng)、腦科手術等(deng)。
不同脈寬激光(guang)在100 μm厚的(de)不銹(xiu)鋼薄片上打(da)孔的(de)效果
飛(fei)秒(miao)激(ji)(ji)光作(zuo)(zuo)用于金屬(shu)時，由于飛(fei)秒(miao)激(ji)(ji)光的脈(mo)沖(chong)寬度(du)(du)小于電(dian)子(zi)-聲子(zi)相互作(zuo)(zuo)用的時間尺度(du)(du)，電(dian)子(zi)吸收的激(ji)(ji)光能量來不及傳(chuan)給(gei)離(li)(li)子(zi)就結束(shu)了。所(suo)以電(dian)子(zi)的溫度(du)(du)很高(gao)而離(li)(li)子(zi)的溫度(du)(du)還很低，飛(fei)秒(miao)激(ji)(ji)光燒蝕金屬(shu)是一個非平衡燒蝕。雙(shuang)溫模(mo)型和改進的雙(shuang)溫模(mo)型表明(ming)晶格的溫度(du)(du)變化跟(gen)晶格熱傳(chuan)導和電(dian)子(zi)-晶格耦合有關。在(zai)高(gao)強(qiang)度(du)(du)（≥1014W/cm2） 飛(fei)秒(miao)激(ji)(ji)光的作(zuo)(zuo)用下，材料的電(dian)離(li)(li)完(wan)成于脈(mo)沖(chong)作(zuo)(zuo)用時間（~100 fs）結束(shu)前，此(ci)時金屬(shu)和介質的燒蝕機理是一樣(yang)的。
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(zai)碲酸鹽玻璃(li)樣(yang)品中(zhong)誘(you)導的熱影響區域
上圖是250 fs, 800 nm, 500 kHz飛(fei)秒激光在碲酸鹽(yan)玻璃樣品(pin)中(zhong)誘導的熱(re)影(ying)響區域的光學照片。誘導的結構呈現明顯的熱(re)效(xiao)應，結構隨照射時間明顯增(zeng)大(da)。
飛(fei)秒激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)與材料相互(hu)作用過程(cheng)中，光(guang)(guang)子(zi)加(jia)熱電(dian)子(zi)（<1ps）和電(dian)子(zi)—聲子(zi)耦合的(de)(de)(de)(de)(de)時間(jian)尺(chi)度(du)（ps）遠小(xiao)于(yu)(yu)熱擴(kuo)散的(de)(de)(de)(de)(de)時間(jian)尺(chi)度(du)（>0.1ns），這(zhe)樣激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)加(jia)工的(de)(de)(de)(de)(de)剩余熱會(hui)產(chan)生(sheng)一個(ge)(ge)(ge)熱場(chang)。對(dui)于(yu)(yu)低重(zhong)復(fu)頻(pin)率飛(fei)秒激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)，由于(yu)(yu)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)間(jian)隔時間(jian)較長(chang)，在下(xia)一個(ge)(ge)(ge)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)到達(da)材料的(de)(de)(de)(de)(de)時候，激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)聚焦區域的(de)(de)(de)(de)(de)溫度(du)已經下(xia)降到環境溫度(du)。而(er)對(dui)于(yu)(yu)高(gao)重(zhong)復(fu)頻(pin)率飛(fei)秒激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)，由于(yu)(yu)其(qi)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)間(jian)隔時間(jian)較短，當這(zhe)個(ge)(ge)(ge)時間(jian)短于(yu)(yu)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)照(zhao)射產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)熱場(chang)擴(kuo)散所(suo)需的(de)(de)(de)(de)(de)時間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)時候，下(xia)一個(ge)(ge)(ge)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)到達(da)樣品(pin)時，前一個(ge)(ge)(ge)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)熱場(chang)還(huan)沒(mei)有完全(quan)消(xiao)散，就會(hui)導(dao)致熱量的(de)(de)(de)(de)(de)累積作用。而(er)隨著照(zhao)射時間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)延長(chang)，激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)數(shu)量的(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)，激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)聚焦區域的(de)(de)(de)(de)(de)溫度(du)會(hui)逐(zhu)漸升高(gao)，直至(zhi)到達(da)動態平(ping)衡。高(gao)重(zhong)復(fu)頻(pin)率飛(fei)秒激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)照(zhao)射過程(cheng)中產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)熱場(chang)雖然會(hui)增大激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)誘導(dao)微(wei)納結構的(de)(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸，但它對(dui)某些(xie)微(wei)納結構的(de)(de)(de)(de)(de)形成也是至(zhi)關重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)。
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