1．引言

　　从1960年**台红宝石激光器诞生至今，人们对激光技术的探索从未曾止步。因其优越的特性越来越多的为人们所知，更多的应用将被发掘出来，尤其是对高新技术比较敏感的工业领域。可以说，就人类社会发展的现阶段，工业需求是社会发展的最强大的动力。激光应用于工业加工领域已经有20多年的历史，激光在工业领域的应用的深度和广度都已经达到了前所未有的阶段。

　　2．南昌激光加工工业的发展

　　在**台激光器诞生之初，功率较低，系统整体较大，实际上无法直接应用于工业加工领域。在这之后的几十年里，随着激光技术的发展，新的激光介质的出现，激光技术瓶颈的突破，激光器无论从深度上还是广度上都有很大的进步。激光在工业中的应用之多，数不胜数，如：激光印刷，刻录，打标，雕刻，焊接，切割，毛化，调阻，熔敷等等，且潜力巨大。

　　从上世纪80年代开始，从深度上来看，激光加工工业的发展主要经历了三个阶段：

　　**阶段是纳秒激光器应用阶段。调Q技术获得的纳秒脉冲，其峰值功率远高于平均功率，能够实现连续激光器无法达到的高瞬时功率密度，从而瞬间超过材料破坏阈值，实现刻蚀效果。

　　第二阶段是本世纪伊始，SESAM（半导体可饱和吸收镜）使皮秒激光技术迅猛发展，并很快应用于工业中。皮秒激光器一直以来都是通过染料进行锁模，但是染料需要循环，且经常容易漂白而影响锁模的稳定性。SESAM不但能够代替染料进行锁模，而且能够实现自启动。在此背景下，迅速涌现出了众多商业化的工业级皮秒激光器。

　　相较纳秒激光，皮秒激光器以其更短的脉冲宽度，更高的峰值功率，能够实现更精细的加工效果。因此，一时间，精细加工成为热点话题。

　　然而，真正做到精细加工是在飞秒激光下实现的，这也是我们说的第三阶段。我们首先来看激光与固体之间的相互作用机理：

　　（1）激光首先激发的是固体的电子，在100飞秒的时间内电子吸收光子的能量而跃迁到高能级；

　　（2）由于电子相对于晶格的温度更高，因此其处于非平衡态。为了达到平衡，电子会在1皮秒的时间内将能量传递给晶格；

　　（3）在10皮秒的时间内，这些能量将被逐步传递到材料内部。

　　因此，对于10皮秒左右的皮秒激光加工，材料有足够的时间把热量传递到其内部，然后才发生刻蚀作用，因此热效应实际上无法避免。而对于飞秒激光而言，脉冲作用时间已经实际小于1皮秒，电子没有足够的时间将能量传递给晶格。从而在材料表面生成众多等离子体，能量伴随着材料的去除而消散，因此出现强烈的刻蚀效果。也就是说，当激光脉宽远远小于晶格的受热时间时，烧蚀时间不依赖于激光脉宽。

　　从上面三个阶段，我们可以看到，激光加工的发展与激光器的发展基本上是同步的，一个新的技术突破，就可能迎来激光工业应用的飞跃，当然，也会带来新的疑问：

　　**，皮秒激光器既然无法完全避免加工时的热效应，那是否它就对精细加工就没有意义，或者说已经失去了存在的价值和必要性？

　　当然不是。皮秒激光虽然无法实现精细的冷加工，但相对于飞秒激光器，价格较低，且结构相对简单，功率较高。因此，对于这样一个超短脉冲技术的过度性产品，如何充分利用就值得我们思考了。目前比较值得借鉴的方法是，将皮秒激光进行三倍频，利用紫外光于材料的“光蚀”作用，高能量的光子通过“冷”处理直接破坏材料的化学键，从而减小加工的热效应，实现“冷”加工。目前，该系统对于透明性材料加工有其较大的优势。此类激光器很多，例如Photonics industry公司的15ps的355nm激光器。

　　第二，飞秒激光器能够实现非热刻蚀，那是不是脉冲宽度越短，加工越精细呢？实际上，刻蚀效果与六个主要因素有关：平均功率，脉宽，波长，谱宽，单脉冲能量，频率。

　　一般来说，脉冲宽度越短，就很难获得高平均功率，因此，从这方面来说，短脉冲是以牺牲平均功率为代价的。

　　另外，脉冲宽度越窄，谱宽就会越大，因此，色差也会影响加工效果。

　　其次是波长的影响，对于一般材料而言，波长对刻蚀效果影响不大，只有在对透明材料（如SiO2）进行加工的时候才考虑，而且应该考虑波长的问题。如前面所说，透明材料对紫外光有强烈的吸收，而对于可见和红外光的透过率却很高。因此通常将超快激光的三倍频光用来加工。对于几十飞秒的激光器而言，光谱宽度达到20nm，甚至是50nm，因此三倍频效率非常低。而皮秒激光器却能获得较高的三倍频率输出。

　频率则会影响加工速度。一般来说是越高越好，但是通常只有振荡器才是80MHz左右，而振荡器的单脉冲能量太低，因此需要放大，放大器的频率一般从1KHz到几百KHz不等。

　　因此，对于超快激光加工，不能盲目追求超短脉冲，必须看实际的需求。而且脉冲极短而高功率的飞秒激光器，价格不菲。就目前的精细加工需求而言，百飞秒级，几百KHz频率的激光器应该是足够应对通常的精细加工需求，例如JENOPTIK公司的D2.fs工业级激光器（4W，400fs，300KHz，1025 nm，20 μJ @ 200 kHz）。而且该激光器采用光纤激光器振荡器，能够做到长寿命，免维护，这是一个亮点。指标，价格，稳定性，综合性价比来看，该激光器是非常不错的。

　　近两年，飞秒激光技术得到了飞速提高，我国经济也稳步发展，国外更多的先进产品涌进来。例如KMlabs的12fs振荡器和峰值功率TW级放大器，menlosystems的飞秒光纤激光器，Lumera和photonics industry的皮秒激光器等就是比较成功的几款商品化的超快激光器。

　　3．激光精细加工

　　对于一套激光精细加工系统，除了激光器外，整个系统平台的搭建，软件控制也是一个重要的问题。任何一个方面的缺憾，都足以影响整个系统的性能。

　　软件方面，普通的标刻软件已经无法满足需求，在纳秒脉冲打标下无须考虑的很多问题，如何克服首脉冲，拐角漏点等摆在我们面前。

　　硬件方面，由于目前**的振镜的定位精度也只能达到十微米级别，很难胜任更精细的加工，因此，通常选用速度较慢而精度极高的位移平台来组建系统，高精度位移平台能够实现纳米级的精确控制。同时，还要考虑光路系统和聚焦系统的设计问题，矫正像差和色差以实现更小的聚焦光斑。

　　除此之外，为满足不同加工需求，还要考虑夹具，工艺等多方面的问题。例如，心血管支架的加工因为是柱面刻蚀，所以对软件和夹具有不同于平面加工的要求，而且难度更大。

激光加工的心血管支架

　　再如调节焦距，使得焦斑的中心强度刚好达到材料的多光子电离阈值，则加工过程中的能量吸收和作用**于焦点中心位置处的很小一部分体积内，而不是整个聚焦光斑辐照的区域。这样，可以实现比聚焦光斑小得多的加工尺寸。

　　4．结语

　　随着我国经济和工业需求的发展，精细加工已经成了激光加工领域的热点，目前，中国的精细加工还处在萌芽阶段，因此，具有两方面的内涵：

　　**、萌芽阶段意味着不成熟，目前在国内尚没有成熟的商品化飞秒精细加工系统，需要我们更多的探索，或许在探索中会走弯路，会付出一定的代价，但这对于未来可能获得的回报而言，是值得的。为了避免尽量少的走弯路，减少不必要的损失，应该更多的注意方法，更全面的考虑问题。精细加工问题，不仅仅是激光器的问题，而是系统全面优化以实现更高精度要求的问题，刻蚀效果是我们追求的最终目标。国外已经有比较成熟的产品，而国内还没有，彼此的差别并不仅仅是激光器，还有工艺问题。工艺研究是一门复杂的科学，一个复杂的系统，需要一个团队的不懈努力，例如软件参数的设置和工艺效果的尝试。尽管激光器是关键部件，但只把眼界局限在激光器上，而忽略了整体系统的集成和优化是我们的致命伤。

　　第二、而对起步阶段的中国精细加工领域来说，正因为没有成熟的飞秒精细加工系统，因此市场潜力巨大，谁将会是**个吃到螃蟹的人呢？