高效飞秒激光精密制造

这是飞秒激光成熟和广泛的应用之一。精密微纳加工与工业制造，脆性材料加工：在蓝宝石玻璃（手机屏幕、摄像头保护盖）、特种玻璃、陶瓷上钻孔、切割、刻划。无崩边、无裂纹，良品率高。金属微加工：为航空发动机叶片制作好的的激光诱导周期表面结构，降低阻力；制造精密燃油喷嘴微孔；支架切割。透明材料内部三维加工：利用其非线性效应，在焦点处发生作用，可以在透明材料（如玻璃、晶体）内部进行选择性改性、写入波导、制作微流道、存储三维数据。这是其他激光无法做到的。太阳能电池：用于晶硅太阳能电池的选择性掺杂和边缘隔离。飞秒激光脉冲与材料相互作用时间在一个非常短的时间（飞秒量级），因此可以实现材料的冷加工。高效飞秒激光精密制造

飞秒激光技术优势与面临的挑战优势总结：表较高精度：亚微米至纳米级特征尺寸。表较高质量：无热损伤，边缘质量好。表较大灵活性：3D内部加工，材料普适性强。非接触、无工具磨损。挑战与未来方向：成本：飞秒激光器及配套系统昂贵。效率：虽然单点精度极高，但大面积加工的效率仍是大规模生产的瓶颈。并行加工（如空间光调制器分束）是重要发展方向。工艺复杂性：需要深厚的知识进行参数优化和路径规划。过程监测：开发实时反馈系统，确保加工的一致性和可靠性。广东飞秒激光掩模板飞秒激光尤其适合加工蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料和热敏性材料，因此适合于电子产业微细加工行业应用。

能量在时间上高度集中：脉冲极短，即使单个脉冲能量不高，其瞬时峰值功率也可轻易达到太瓦（10¹² 瓦）甚至拍瓦（10¹⁵ 瓦）级别，足以击穿任何材料。“冷加工”机制：能量在极短时间内注入，远快于热量向周围材料扩散的时间（通常为皮秒量级）。材料被直接电离成等离子体并瞬间消散，几乎不产生热影响区，避免了熔化、微裂纹和形变。非线性吸收：其极高的光强使得材料同时吸收多个光子，才能发生电离。这种效应具有明确的功率阈值，只在焦点中心极小的体积内发生，实现了突破衍射极限的纳米级精度。宽光谱：超短脉冲意味着极宽的频率带宽，可用于产生超连续谱（白光激光）和精密光谱测量。

飞秒激光本身就是科学发现的工具，并不断催生新科学。超快科学：飞秒化学：观测化学反应的中间过程与过渡态（获诺贝尔化学奖）。凝聚态物理：研究高温超导、拓扑材料中的超快电子动力学。极端条件创造：激光粒子加速：在桌面尺度产生高能电子/质子束，用于放疗和基础物理研究。阿秒科学：飞秒激光是产生阿秒脉冲（10⁻¹⁸秒）的“引擎”，用于实时观测原子内电子的运动。精密测量：飞秒光频梳（获诺贝尔物理学奖）：提供好的的“光尺”和“光钟”，用于时间基准、、温室气体检测等。相对于传统激光加工设备，飞秒激光由于脉冲时间短，被加工物不会被加热，适合加工30微米以下的高精度小孔。

传统激光（纳秒、微秒脉冲）依靠“热积累”：激光能量被材料吸收，转化为热量，通过热传导熔化、蒸发材料。这个过程不可避免地会产生热影响区，包括熔融残留、微裂纹、热应力变形和材料性质改变。飞秒激光则依靠“非线性冷烧蚀”：时间极短（飞秒量级）：激光脉冲作用时间远小于材料中能量转移到晶格（即转化为热）所需的时间（皮秒量级）。强度极高：超高功率密度直接导致材料发生多光子吸收/隧道电离，电子被瞬间剥离，形成高度电离的等离子体。等离子体膨胀与消散：等离子体在极短时间内迅速膨胀并消散，带走了绝大部分能量，未来得及将能量传递给周围材料。结果：材料直接被“移走”，实现“冷加工”。加工边缘清晰、无熔渣、无热损伤层，基本保持了材料的原始性质。飞秒激光主要应用领域集中在脆性材料加工，诸如手机LCD屏异形切割、手机摄像头蓝宝石盖板切割等。韩国加工飞秒激光超细孔

飞秒激光切割超薄金属箔的优势在于不受图形的限制，可随时导入CAD图纸或在软件绘制图形切割，周期短。高效飞秒激光精密制造

飞秒激光与双光子显微成像的结合，完美诠释了“工具驱动科学发现”。飞秒激光提供了实现非线性双光子激发所需的可行光源。双光子显微镜则利用飞秒激光的特性，将无损、深层、动态、三维的观测能力提升到了一个前所未有的高度。它让我们得以在动物的自然生理状态下，以前所未有的时空分辨率，亲眼“观看”生命活动的微观动态画卷，从单个神经元的放电到胚胎的发育成型，极大地推动了我们对生命复杂过程的理解。这一技术组合至今仍是医学成像领域活跃、发展快的方向之一。高效飞秒激光精密制造