飞秒激光微纳加工技术的发展及应用，揭开飞秒激光“冷”加工的奥秘！

在传统的使用长脉冲激光（微秒、纳秒等）进行材料加工应用中，激光与材料的主要相互作用是将激光能量转化为热效应，以使材料熔化和气化现象，从而实现材料的去除。然而，该过程中，由于热量的累积，会形成较大且强烈的热影响区（HAZ）。在精密加工应用中，该热影响区域会使得材料加工区域过热形变、熔边、氧化发黑、残渣、毛边等不利影响，从而造成不可接受的功能或外观损坏，不仅会降低产品品质和良品率，通常还需要引入繁琐的后续清洁步骤来消除不利影响，这无疑会极大的增大生产成本。

随着激光技术的不断发展以及人们对加工品质的更高追求，超快激光加工技术应运而生。通常，超快激光指脉宽小于10 ps的激光。其中，飞秒激光作为脉宽更短的超快激光，也被逐渐应用于激光加工过程中。

飞秒激光是指一种产生极短脉冲的激光技术，飞秒（fs）为时间的计量单位，1飞秒为1秒的一千万亿分之一。飞秒激光，顾名思义就是在飞秒时间尺度内发出的脉冲激光。飞秒激光的脉冲持续时间可以达到几飞秒到几百飞秒，这使其成为当今实验条件下可获得的Z短的激光脉冲之一，而作为超快激光极端制造的利器，飞秒激光是工业应用领域可稳定获得并使用的Z短的激光脉冲。

相比较于常见的纳秒、皮秒激光器，飞秒激光的特性主要为以下三点：

l 飞秒激光脉冲具有超短的脉冲持续时间（脉宽），通常在10-15s量级，即使是光在1 fs内也只能传播0.3 μm的距离；

l 飞秒激光脉冲具有超高的峰值功率，可轻松实现1012 W量级，该峰值功率远超全球电网总的功率；

l 飞秒激光脉冲经过聚焦后，能形成微米级尺度的焦点光斑，光斑中心区域的峰值能量密度可达到1020～1022 W/cm2量级，可以激发极强的局域强电磁场，该局域电磁场强度比原子核对其周围电子的作用的库伦力还要高数倍，可直接破坏材料中原子之间的化学键，并将材料内部的电子瞬间激发电离，导致材料中带正电荷粒子之间由于强烈的库仑斥力而以等离子体的形式向外喷发,从而实现材料的去除。如下图所示：

飞秒激光的超短脉冲持续时间和超高峰值功率为科学实验研究提供了前所未有的极端物理条件，例如高时间分辨率、高电场和磁场强度、高压和热风。同时，也为当下极端制造提供了有效的加工工具。

飞秒激光超短的脉宽及超高的峰值功率，可诱导材料发生非线性吸收效应，获取尺寸远小于衍射极限的焦点光斑，从而大幅提升加工的空间分辨率。此外，由于飞秒激光的脉冲持续时间远小于热弛豫时间。因此，飞秒激光加工过程中没有热量产生，俗称“冷”加工，可以利用飞秒激光对任何材料进行超精细切割、打孔、刻蚀等加工，可直接避免常规长脉冲激光加工过程中，材料由于热量累积导致的过热开裂、氧化、熔化等现象，意味着在飞秒激光加工过程中几乎不存在碳化、熔渣、残屑等影响产品加工品质的现象。可以简化甚至直接省去后续产品清洁步骤，无疑可极大的降低加工成本和缩短产品生产周期。飞秒激光加工效果示意图如下图所示：

飞秒激光器的脉冲重复频率可高达兆赫兹（MHz）甚至吉赫兹（GHz），这种高重复频率意味着每秒钟可以产生数百万乃至数十亿个激光脉冲，极大地提高了加工速率。这对于工业应用尤为重要，因为它能够显著减少加工时间，提高生产率，同时保持飞秒激光加工的高精度和质量。

飞秒激光超精细加工技术的诸多优异性能，使其成为极端制造领域不可替代的加工利器，并被广泛应用于半导体微电子制造、生物医学器械、航空航天、光学元件制造等领域，为现代科技发展提供了重要支持和解决方案。

具体而言，飞秒激光加工精度可以达到亚微米级别（小于1微米），在加工金属、半导体和复合材料时，可以实现极高的边缘质量和精细的结构。例如，在微电子和半导体领域，飞秒激光器能够切割和钻孔，加工出直径小于10微米的微孔，且边缘光滑无毛刺。这使其特别适用于制造复杂的微结构和纳米结构，如集成电路、微机电系统（MEMS）和功能型超表面等。

飞秒激光加工过程中可实现极其微弱到可忽略的热影响区（HAZ），能够在不损伤周围材料的情况下实现高精度加工，特别适用于对热敏感材料的加工，如聚合物、玻璃和生物材料。

飞秒激光设备在功能型超表面的制造中也表现出色。例如，利用飞秒激光在材料表面加工出纳米~微米周期性的表面微结构，赋予材料一些特殊功能，并可通过调整表面微结构的形态，实现功能的切换，如防反射、超疏水自清洁、超亲水自浸润、抗菌抑病毒、表面炫彩等。此外，还可通过飞秒激光在材料表面加工出纳米级别的微结构，来显著增大材料表面的表面积，来显著提高材料表面性能，如快速散热、细胞粘附、细胞增殖等。

在医疗领域，飞秒激光设备因其极高的加工精度和极低的热影响，广泛应用于制造高精度的生物传感器和微流控芯片。这种设备能够在不损伤材料的情况下进行精细加工，确保生物材料的完整性和功能性。

在集成电路制造中，通过精密切割和钻孔形成微小的电路图案。此外，飞秒激光器在微机电系统（MEMS）制造中也发挥着关键作用，能够加工微小机械和电子元件。

在工业制造中，如航空航天和汽车制造，通过精密切割和加工，能够制造高精度和复杂的零部件，其高效率和高质量的加工能力，满足了现代工业制造的严格要求。

深圳市单色科技有限公司总部位于深圳市光明区，由先进激光领域企业和科研单位团队组建，致力于飞秒激光微纳加工技术研究及应用。公司作为国内飞秒激光微纳加工装备的新锐企业，拥有激光光学系统、精密机械运动系统、电控系统、软件算法、视觉成像等完整的研发、应用和工艺经验，核心技术指标达国际先进水平。为生物医疗、半导体微电子、航空航天等领域内诸多难加工材料与构件超精细冷加工提供全方位的解决方案，已得到广泛应用和认可。

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