对比普通激光加工，超短脉冲和短波长对各种材料的优势作用日趋显现。超短脉冲和短波长的研发以及在激光加工中的试应用，为高品质的精细加工带来了希望。本文主要对激光在精细加工方面的应用进行阐述。
1 引言
高品质的激光加下，特别是高难度激光切割、钻孔和表面处理现已成功应用于金属、陶瓷、玻璃、半导体及很多高分子材料中。同时，激光加工在超短脉冲光谱学、微机械加工、非线性光学、THz-频谱研究、材料学等科研领域的应用也日渐广泛，目前，高精度激光加工向超短脉冲和紫外激光发展的趋势已经愈加明显。
2 超快激光工业加工
The Photonics West 2005曾经报道了皮秒激光器在大规模生产中的首次应用。将功率为1μJ、脉宽为20 ps的连续脉冲聚焦到薄钢箔上，在脉冲光束方向上去除一系列同心环。直径不同的同心环形成一个圆盘，去除材料的不同圆盘形成一个锥形孔，这个孔在专业的高质量打印头中被作为注入墨水的喷嘴。
传统纳秒激光器的激光处理热效应比较明显，特别是许多具有良好导热率的材料，如金属会出现严重的损伤区域，这些损伤区域是由热引起的融化、再凝固和裂缝所致。随着超短脉冲激光器的研究和发展，激光冷加工的处理手段也日趋成熟，超短脉冲激光器在冷加工方面的优势也逐渐被大家认可。这种优势就是超短脉冲激光器能够使热量沉积到材料里的过程比热量扩散到周围区域的过程发生得更快，这样就会尽可能地避免熔化状况，同时通过使材料升华和等离子化来达到去除材料的目的。超短激光脉冲的高功率密度也可以对有非线性吸收现象的透明材料进行处理.如图1所示。
飞秒激光器的发展相当迅速。在过去的几年中，绝大多数超快激光器制造商的注意力都集中在飞秒激光器的研发土。但是，飞秒激光器的重复频率不高，一般都只有几千赫兹，这对于追求更高工作效率的现代工业加工来说十分不利。而与飞秒激光器相比，重复频率达到几百千赫兹的皮秒激光器却可以保证高生产率。因此，飞秒激光器目前主要应用于科研领域，而皮秒激光器则可应用于工业加工领域。
由于在材料去除过程中会形成高脉冲能量的强等离子体，因此工业加工对超快激光提出了更高的要求，即如何设置激光器的参数才能获得更理想的材料去除效果。大量实验表明，在合理的去除速率下，最高精度可以通过将功率密度设置为6-10倍的阀值超短激光脉冲下实现。对金属而言，这意味着10 ps脉冲的能量密度为1J/cm2。如果微机械加工的激光束被聚焦成典型直径为10μm的光斑，那么最佳的脉冲能量应该为1μJ。在这种情况下，每个激光脉冲熔化的材料厚度的典型值为10~100 nm,可以加工出精度为0.1μm的微结构。图2给出了不同材料对脉冲功率和重复频率的去除率。
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3 紫外激光加工
工业加工用打标机经历了机械-气动-激光的发展过程。目前，普通的激光打标机多是红外激光控制系统。用于非金属打标的一般是co:激光器，波长为10.6μm;而用于金属打标的波长一般是1 064 nm或者532 nm。普通的1 064 nm打标机的单光子能量小，红外激光通过振动材料分子产生热作用，使材料先溶化再挥发，进而在材料上产生刻痕，这对于高精度加工非常不利。在紫外光谱区域，许多材料有较高的线性吸收系数，对材料(特别是透光材料)的去除非常有利。紫外激光加工过程称为“光蚀”效应，高能量的光子通过“冷”处理直接破坏材料的化学键，所加工出来的材料具有光滑的边缘和极低限度的碳化。因此，紫外甚至深紫外的激光器被应用于精细加工，极易被人们接受。
另外，许多塑料和一些大量用在柔性电路板基体材料中的特殊聚合物(如聚酞亚胺)不能通过红外处理或“热”处理过程进行精细加工。因为热会使塑料变形，在切割边缘或者钻孔边缘上产生碳化形式的损伤，而这可能会导致电路板结构性的削弱和寄生传导性通路，从而导致不得不增加后续处理工序以改善加工结果。因此，红外激光器不适用于某些柔性电路的处理。除此之外，即使在高能量密度下，CO2激光器的波长也不能被铜吸收，这更限制了它的使用范围。相比之下，紫外激光器的输出波长在0.4μm以下，这是适于处理聚合物材料的主要优点。与红外激光加工不同，紫外微处理过程从本质上来说不是“热”处理过程，而是一种“冷”加工。
主要应用领域如下:
·PCB的打微孔以及柔性线路板的切割;
·太阳能硅片等半导体材料和陶瓷的划线、切割以及精细打标;
·蓝宝石的划线与切割;
·医疗器械的微加工(输液管的打标和制孔等)。
目前，有2种获得紫外激光的方法，一种是准分子激光器的紫外激光，另一种是固体激光倍频后获得的紫外激光。
一直以来，准分子激光器在紫外加工中占据着主导地位，但准分子激光器存在很多缺点:所有的准分子激光器都要使用稀有有毒气体，而特殊气体的更换、存储和调整过程非常复杂。同时，准分子激光器的体积庞大，价格昂贵，制造和维修费用高。另外，准分子激光器最大的缺点是输出光束质量太差，而且截面太粗，因此在微处理过程中一定要使用掩模板，从而使几乎99%的光能量损耗于模板，而只有1%的能量作用于工件表面。
限制固体紫外激光大范围应用的主要问题是激光器的稳定性，其三倍频晶体膜层极易出现损伤。目前，世界上只有为数不多的公司能够解决长期工作稳定性的问题，大多数公司还只是处在对紫外激光器的实验室研究阶段。因此，技术手段是导致紫外激光器成本高的一个很重要因素。另外，以Nd:YAG激光器为例，要获得10 W的355 nm紫外激光，至少需要上百瓦的808 nm激光作为泵浦源。原部件的成本也是制造紫外激光器高成本的原因之一。
4 结束语
超短脉冲和短波长激光器在精细加工领域的应用日趋广泛，但还需要配备高定位和重复精度的数字化运动控制系统以及相关的外部附件，才能满足高难度的生产和研究需要。随着激光器的不断进步，特别是固体紫外激光器稳定性问题的解决，以及配套设备的工艺发展，高精度激光加工这一课题将会具有更高价值和更广阔的应用前景。
