江蘇鐳射聯盟導讀：

超短脈衝鐳射器的工業成熟度引發了眾多材料加工方法的發展。最近，來自德國通快鐳射的研究人員將超快鐳射卓越的時間脈衝特性與先進的結構光概念相結合，引起了鐳射應用方法開發的突破，該方法現在將逐步進入工業環境。

小型化——製造越來越小的產品和元件，同時又要保持其功能和質量的趨勢——是個遲早會影響所現有技術的過程。產品尺寸和重量減小，從而降低成本的前景促使製造商開發工具和加工策略。超短脈衝鐳射代表了可用於微米和奈米級加工的獨特的工具。從約100fs到約10ps的脈衝持續時間以及相應的極端峰值強度會導致與所有可能的材料發生相互作用，而與物質狀態或吸收行為無關。

幾乎在每個光電裝置中都可以找到諸如玻璃或藍寶石之類的透明且易碎的材料，這些材料主要由於極高的機械或化學效能而成為加工中極具挑戰性的例子。特別是超短脈衝鐳射顯示出巨大的潛力，可作為微妙的工具，用於在表面或體積內部進行受控的能量沉積。同時，由於邊緣的熱擴散，未處理的相鄰區域的所需光學特性或已實現的光學功能不會受到影響。此類鐳射器通常提供的單個近乎衍射極限的高斯焦點分佈代表了理想的焦點，僅在特殊情況下才可用於特定的鐳射加工過程。在考慮更有效的、行業相容的概念以產生高吞吐量時，更復雜的空間分佈變得尤其有吸引力。因此，除了超短脈衝鐳射器的顯著時間特性外，還需要在所有空間自由度上定製聚焦分佈。

最近，“結構光”一詞已被用來涵蓋先進的光束整形概念，其中鐳射輻射的所有空間和時間特性都被操縱以實現定製的光狀態。在目前的情況下，時間特性是由工業超快鐳射平臺確定的，該平臺使用具有1ps持續時間的帶限脈衝。另一方面，空間特性由基於例如一次或多次照射的衍射光學元件、自由形式光學元件或幾何相位全息(固定或自適應版本)的高效和抗功率概念決定。光束成形元件與聚焦單元(使用的最大為0.5奈米)一起形成加工光學元件，加工光學元件通常被饋送自由空間或光纖引導的脈衝，如下圖1。

圖1. 超短脈衝處理光學的模組化概念。

▲圖解：(a)自由空間或光纖引導的脈衝是(b)照明光束整形元件和(c)在自由空間傳播或轉換成它們各自的遠場。在進一步的可能的光束成形和(d)傳播步驟之後，(e)產生的光場被物鏡聚焦/成像到工件上或工件中。交替的光束成形和光束傳播/遠場變換步驟可以透過單次照射多個元件或多次照射單個元件來實現

鐳射切割透明材料

基於開發的用於垂直玻璃切割的加工方法，近來，對定製玻璃邊緣的需求增加，例如倒角或斜面結構。除了視覺上的好處，這是由於增加了邊緣穩定性和減少了潛在的邊緣斷裂。此外，基底的幾何形狀變得越來越複雜，人們對切割具有曲面的玻璃很感興趣，如醫療技術中大量需要的管子、注射器和安瓿。這兩種情況的挑戰在於，所應用的非衍射焦點分佈需要敏感的像差校正，以補償由透過傾斜或彎曲介面的光束轉變引起的相位擾動。下圖顯示了這一概念在加工具有給定直徑的玻璃管的例子中。下圖(a)模擬了貝塞爾-高斯光束在圓柱形玻璃表面後的傳播，其中獲得了峰值強度降低的複雜干涉圖案，特別是對於更大的傳播距離z。現在，研究人員實際上應用了像差校正，並獲得了眾所周知的貝塞爾-高斯光束的幾乎不受干擾的輪廓，見下圖(b), (c)和(d)描述了加工樣品，證明了直徑> 1毫米、內外輪廓複雜的玻璃管單程切割概念的有效性。

圖2. 切割具有複雜內部和外部輪廓的玻璃管

透明材料的選擇性鐳射蝕刻

超短脈衝體積修改和隨後對電介質的選擇性化學刻蝕（稱為選擇性鐳射蝕刻(selective laser etching, SLE)）相結合，可以快速製造具有最小結構特徵的任意形狀的三維（3D）玻璃結構，最小的結構特徵可低至10μm規模。

圖3

▲圖解：(a)熔融石英晶片（4英寸），厚度為350μm，具有透過選擇性鐳射蝕刻製成的直徑為0.25至6 mm的高質量玻璃通孔。(b)鐳射入射玻璃側面的顯微鏡影象確認了高質量的邊緣輪廓。(c)透過SEM影象證明的無錐度玻璃通孔。

在鐳射加工過程中，沿著光束輪廓從光束的入口一直延伸到要加工的材料的出射側延伸的細長變型依次排列。修改後的體積通常顯示出比基礎材料高100倍的蝕刻速率。取決於要處理的相應材料、適應的脈衝能量、持續時間和受控的時空能量沉積策略可以製造出具有高蝕刻速率的高質量，無錐度的2D幾何形狀。圖3（a）顯示了厚度為350μm的已加工熔融石英晶片，在該晶片中蝕刻了高密度的不同直徑（0.25至6 mm之間）的玻璃通孔（TGV）。透過施加30重量％。在溫度為80°C的超聲浴中獲得約20μm/ min的30 wt.％KOH蝕刻溶液。

透明材料的鐳射焊接

TRUMPF超短脈衝焊接產品組合包括一個超短脈衝鐳射源（TruMicro 2000系列）和TOP Weld光學元件。如圖4(a)中測得的剪下強度所示，這樣生成的焦點分佈會導致更高的處理效能。焦距約230μm與最新的聚焦（高斯光束形狀）相比，z方向上的230μm大約高三倍，同時保持了與體積材料一樣高的斷裂穩定性。

圖4

使用時間脈衝能量調製，甚至可以改善焊接效能。如Nakamura等人所示，脈衝能量的時間調製可以減少焊縫內部和周圍的永久應力，並允許較大的焊縫尺寸。添加了可以直接在TruMicro 2000系列的鐳射控制中設定的這項技術，可以將圖4(a)所示的焦距提高到300  μm大猩猩玻璃杯。工業環境中焊接的另一個重要特徵是間隙的橋接。如上所述，最新技術僅限於3  μm。透過使用TOP Weld光學元件，間隙最大可達到7  μm以及脈衝能量調製間隙甚至可以達到 10  μm可以橋接。透過這種方式，可以解決消費電子，生物醫學或MEMS裝置封裝領域中的實際應用。

激光表面結構和衝擊鑽

超短鐳射脈衝的鑽孔工藝可以滿足顯示器和電子行業高階應用的需求。尤其是，微結構的製造需要最高的精度和對工件的最小損壞。儘管要處理的材料千差萬別，從高吸收性材料到透明材料，該處理策略通常基於高斯焦點，該焦點使用掃描器光學器件或光學器件對準工件。儘管通常可以獲得高質量的加工結果，但通常無法始終滿足有關效率和加工速度的行業要求。另外，多種應用，例如在多層堆疊中製造盲孔或在金屬箔中形成通孔，都需要特定的處理限制。例如，將精細金屬掩模（FMM）用於製造OLED顯示器需要精確的矩形孔形狀以及定製的錐角，並最大程度地減少殘留顆粒汙染。最後，可實現的吞吐量決定了超短脈衝鐳射平臺的實現。

圖5. 使用如圖所示的平頂光束輪廓進行鑽孔的結果

▲圖6. 在FMM應用中，可在Invar箔中鑽制的矩形孔的錐度可控制，厚度為10μm。使用波長為515 nm（左側）的微米級強度漸變平頂光束，可以實現額外的可調節性。

本文來源：Daniel Flamm et al, Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing, Optical Engineering (2021). DOI: 10.1117/1.OE.60.2.025105