中心議題：

• 皮秒激光器的原理及其應用

解決方案：

• 金屬表麵打孔
• 存儲器的修補
• 以及在半導體工業中的打標

chaoduanjiguangmaichongdejiguangqiechudeyoudianzaihenduoyingyongzhongdedaolezhengshi
，zhidaozuijinyemeiyouzaigongchangdedibanshangfaxianzhexieyingyongdegongyefuchanwu。zaigongyeyingyongzhong，chuquzhiliangyinsuyiwai
，kezhongfushengchanxinghemeigelingjiandechengbenyeshihenzhongyaodebiaozhun。

激(ji)光(guang)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)當(dang)然(ran)和(he)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)激(ji)光(guang)技(ji)術(shu)直(zhi)接(jie)聯(lian)係(xi)在(zai)一(yi)起(qi)。每(mei)個(ge)零(ling)部(bu)件(jian)的(de)成(cheng)本(ben)基(ji)本(ben)上(shang)和(he)超(chao)短(duan)激(ji)光(guang)脈(mai)衝(chong)的(de)重(zhong)複(fu)頻(pin)率(lv)直(zhi)接(jie)聯(lian)係(xi)在(zai)一(yi)起(qi)。高(gao)附(fu)加(jia)值(zhi)，高(gao)重(zhong)複(fu)率(lv)的(de)生(sheng)產(chan)力(li)，可(ke)靠(kao)的(de)技(ji)術(shu)等(deng)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)要(yao)求(qiu)僅(jin)僅(jin)在(zai)最(zui)近(jin)通(tong)過(guo)二(er)極(ji)管(guan)泵(beng)浦(pu)的(de)皮(pi)秒(miao)激(ji)光(guang)器(qi)才(cai)完(wan)成(cheng)。

皮秒激光器在大規模生產中的第一次應用在The Photonics West 2005上被報道。20ps脈衝持續時間的1μJ的de脈mai衝chong被bei聚ju焦jiao到dao薄bo的de鋼gang箔bo上shang
，在zai脈mai衝chong光guang束shu的de方fang向xiang上shang一yi係xi列lie同tong心xin環huan被bei去qu除chu。不bu同tong的de同tong心xin圓yuan環huan形xing成cheng一yi個ge園yuan盤pan，去qu除chu材cai料liao的de不bu同tong圓yuan盤pan形xing成cheng一yi個ge錐zhui形xing孔kong，這zhe個ge孔kong在zai專zhuan業ye的de高gao質zhi量liang的de打da印yin頭tou中zhong作zuo為wei注zhu入ru墨mo水shui的de噴嘴。在過去幾年中
，絕大多數超快激光器製造商集中精力在飛秒激光器的開發上。這些激光器需要一種複雜的CPA技術來保持峰值功率密度在某一個損傷閾值下的放大階躍內。用這種方式
，可以產生mJ水平的脈衝能量
，但是重複率被限製在幾KHZ。比較而言幾百μJ的高脈衝能量對厚材料的鑽孔或切割是有利的。柴油機的注入噴嘴的鑽孔就是一個例子，這裏1mm厚的鋼板材料不得不被精密的打孔以致不需要進一步的清潔處理。

LUMERA LASER 為了這個應用開發了皮秒激光器STACCATO。因為它的脈衝時間在皮秒範圍內，STACCATO激光係統不需要CPA技術。激光工作物質Nd:YVO4允許用激光二極管直接泵浦
，使其具有高的脈衝能量和高的重複頻率。STACCATO激光係統在10ps的脈衝持續時間內在1064nm時輸出10W的平均功率
，它的激光束接近衍射極限
，能被很理想的聚焦。

與飛秒激光器相比
，達到100KHZ的非常高的重複頻率保證了高的生產率。在紫外光譜區域許多材料有比較高的線形吸收係數
，對材料的去除來說這是非常有利的。從STACCATO發出的紅外激光輻射因為其非常高的峰值功率密度能夠被轉化成更短的激光波長532nm，355nm和266nm。　當由STACCATO激光器產生的100μJdeguangmaichongdadaocailiaoshangshilengqiechubeichufa，danshikuaisukuosandedenglizitirengrankenengdaozhicailiaoderexiaoying。yinciduiyigehaodejieguoeryan
，budanchaoduanjiguangmaichongdechanshengshizhongyaodeerqieshidangdegongyijishuyeshizhongyaode。juzhengmingxiangkaikongzheyangdegongyiduiweijixiejiagongjieguoeryanbudanshidangdejiagongcelveshizhongyaode
，erqiepianzhenkongzhi，shidangdeshiyongfuzhuqitihezhenkongpenzuiyehenzhongyao。tu2 展示了在鋼鐵和陶瓷上的高質量的小孔。熱引起的裂紋

，液化點可以通過使用適當的加工策略避免。圖2 左(zuo)右(you)分(fen)別(bie)為(wei)在(zai)鋼(gang)鐵(tie)和(he)陶(tao)瓷(ci)上(shang)用(yong)皮(pi)秒(miao)激(ji)光(guang)器(qi)加(jia)工(gong)的(de)孔(kong)在(zai)材(cai)料(liao)去(qu)除(chu)時(shi)伴(ban)隨(sui)著(zhe)高(gao)脈(mai)衝(chong)能(neng)量(liang)的(de)強(qiang)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)的(de)形(xing)成(cheng)引(yin)起(qi)了(le)一(yi)個(ge)問(wen)題(ti)，即(ji)市(shi)場(chang)上(shang)能(neng)獲(huo)得(de)的(de)超(chao)快(kuai)激(ji)光(guang)器(qi)是(shi)否(fou)為(wei)精(jing)密(mi)的(de)表(biao)麵(mian)加(jia)工(gong)而(er)設(she)計(ji)得(de)理(li)想(xiang)。下(xia)麵(mian)的(de)考(kao)慮(lv)涉(she)及(ji)到(dao)超(chao)快(kuai)激(ji)光(guang)器(qi)對(dui)靠(kao)近(jin)表(biao)麵(mian)的(de)材(cai)料(liao)的(de)精(jing)密(mi)去(qu)除(chu)的(de)理(li)想(xiang)的(de)參(can)數(shu)。　在許多實驗中一般的經驗表明，如果在合理的的去除速率條件下最好的精度可以通過功率密度選擇在5-10倍的閾值超短激光脈衝獲得。對金屬而言
，這意味著10PS的脈衝的能量密度應該為1J/cm2。如果微機械加工的激光束被聚焦成典型的直徑10μm的光斑，那麼最佳的脈衝能量應該為1μJ。在這種情況下每個激光脈衝熔化的材料厚度的典型值為10-100nm
，等離子的形成是最小的
，質量是很好的
，可以加工出來0.1μm精度的微結構。

STACCATO皮秒激光器的100個(ge)脈(mai)衝(chong)處(chu)理(li)後(hou)，材(cai)料(liao)按(an)照(zhao)定(ding)義(yi)的(de)方(fang)式(shi)被(bei)去(qu)除(chu)，以(yi)致(zhi)激(ji)光(guang)束(shu)的(de)輪(lun)廓(kuo)被(bei)映(ying)射(she)到(dao)材(cai)料(liao)上(shang)。有(you)希(xi)望(wang)的(de)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)是(shi)為(wei)機(ji)械(xie)，化(hua)學(xue)，液(ye)體(ti)設(she)計(ji)的(de)金(jin)屬(shu)部(bu)件(jian)的(de)表(biao)麵(mian)加(jia)工(gong)。皮(pi)秒(miao)激(ji)光(guang)器(qi)激(ji)光(guang)加(jia)工(gong)可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)高(gao)生(sheng)產(chan)率(lv)的(de)結(jie)構(gou)加(jia)工(gong)。 結構是通過STACCATO激光器在50KHZ，將532nm的光輻射聚焦到直徑為25μm的一個點上加工出來的。渦輪葉片表麵的適當設計的結構能非常顯著地減小摩檫力，燃料消耗和環境損壞。
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作為上述內容的總結，表麵加工激光器應該有皮秒級的脈衝持續時間，幾μJ的中等脈衝能量和非常高的重複率。這樣的激光器最近由LUMERA 投入市場，這款激光器名為RAPID。因為相對簡單的設計
，使RAPID這款激光器具有尺寸小的，結構緊湊的特點
，它由皮秒激光振蕩器，放大器和非常快的Pockels核組成

，以致它能提供高達500KHZ的重複率。超快激光器的微機械加工要求各種加工參數。RAPID的重複率可以從外部進行控製。單脈衝工作，突發模式或任何外部定義的脈衝序列都可以通過TTL脈(mai)衝(chong)來(lai)觸(chu)發(fa)。這(zhe)致(zhi)使(shi)各(ge)種(zhong)加(jia)工(gong)策(ce)略(lve)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)，並(bing)能(neng)提(ti)供(gong)光(guang)束(shu)路(lu)徑(jing)的(de)控(kong)製(zhi)。光(guang)束(shu)束(shu)斑(ban)質(zhi)量(liang)非(fei)常(chang)好(hao)，而(er)且(qie)很(hen)穩(wen)定(ding)，在(zai)各(ge)種(zhong)重(zhong)複(fu)率(lv)的(de)不(bu)同(tong)環(huan)境(jing)下(xia)幾(ji)乎(hu)沒(mei)有(you)任(ren)何(he)影(ying)響(xiang)
，這(zhe)些(xie)特(te)點(dian)是(shi)非(fei)常(chang)顯(xian)著(zhu)的(de)。RAPID的激光束幾乎接近衍射極限因此表現出良好的可聚焦性。它的脈衝持續時間大約為10ps，脈衝能量即使在高的重複率和轉換成532nm
，355nm，266nm的條件下也是足夠超過去除金屬的閾值能量的。脈衝與脈衝的能量變化小於1%rms。
 
RAPID激光器的技術設計中，其輸出激光參數

、可控性能等指標表明該激光器是金屬表麵加工的理想工具，如金屬表麵打孔，存儲器的修補，以及在半導體工業中的打標等。