在微加工方面，激光技術(shù)結(jié)合了高水平的加工質(zhì)量和工業(yè)級(jí)別的高速度，這促使激光加工技術(shù)成為一項(xiàng)頗具吸引力的技術(shù)。
在過(guò)去的幾年中，光纖激光加工技術(shù)已經(jīng)成為材料加工應(yīng)用方面最熱門的話題，它具有很好的插座能效，尺寸簡(jiǎn)潔，而且僅需少量維護(hù)工作，可靠性高。在大型加工應(yīng)用中，光纖激光加工已經(jīng)搶占了燈泵浦Nd:YAG激光器的市場(chǎng)，并且開(kāi)拓了一些傳統(tǒng)激光技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新應(yīng)用。
由于電子產(chǎn)品市場(chǎng)變化很快，微加工工藝成為激光技術(shù)應(yīng)用中快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域之一，主要的推動(dòng)力來(lái)自手機(jī)和平面顯示器，尤其是電視機(jī)。新產(chǎn)品型號(hào)的更換時(shí)間之快，使得人們需要一種通用的技術(shù)來(lái)將電腦設(shè)計(jì)直接轉(zhuǎn)換成加工制造。印刷工業(yè)中發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)直接制版技術(shù)（CTP）成為未來(lái)電子產(chǎn)品加工發(fā)展的模型。利用激光打標(biāo)技術(shù)來(lái)直接刻畫文本和圖案已經(jīng)成為激光技術(shù)在工業(yè)中的主要應(yīng)用之一。類似的激光打標(biāo)技術(shù)在印刷電路板（PCB）加工中可被用來(lái)增加、除去材料，或者對(duì)材料加熱。在柔性基底材料上的印刷電子線路可以說(shuō)是激光技術(shù)最適合的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兣c材料間無(wú)需物理接觸，使得它們可以被應(yīng)用到成卷生產(chǎn)中。柔性PCB新生產(chǎn)方法、超精細(xì)柵距互連的接合過(guò)程、薄膜制圖法等等方面都可以利用基于激光的工具加以改進(jìn)。
連續(xù)輸出和脈沖輸出（毫秒量級(jí)）的光纖激光器能夠提供精確且局域化的熱源，它可被用于低溫焊接和微焊接。因此，這項(xiàng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的回流焊爐、熱焊接和壓焊技術(shù)相比更具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)進(jìn)一步提高脈沖的峰值功率就能夠達(dá)到燒蝕閾值。脈寬在微秒到納秒范圍的短脈沖激光器就能夠很好地覆蓋這個(gè)閾值范圍。但是，熱傳導(dǎo)對(duì)于熱敏性材料和/或高度集成的機(jī)器還是可能帶來(lái)問(wèn)題，理想的情況是能夠?qū)⒓庸さ姆秶拗圃诩す夤獍叻秶鷥?nèi)。
超短脈沖激光器
脈沖寬度在飛秒以及皮秒范圍的超短脈沖激光器（USP），能夠?qū)⒛芰亢芎玫叵拗圃诩す夤獍叩母浇．?dāng)功率密度達(dá)到每平方厘米內(nèi)有幾十個(gè)GW時(shí)，激光加工將實(shí)現(xiàn)“冷”燒蝕狀態(tài)，也就是說(shuō)，在這種情況下，大部分的材料從激光直射的區(qū)域直接蒸發(fā)（圖1）。這樣，在光斑附近可能產(chǎn)生的間接破壞就大大減少了，因?yàn)椴牧险舭l(fā)時(shí)間短，熱量來(lái)不及傳導(dǎo)。大部分被吸收的能量以動(dòng)能的形成被燒蝕了的材料帶走。不過(guò)可惜的是，目前超短脈沖激光器很難在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。主要的原因是，平均功率低導(dǎo)致加工速度慢，所以很難與自動(dòng)化材料處理設(shè)備相結(jié)合，此外就是激光器體積比較大（專用的激光器都是搭建在光學(xué)平臺(tái)上）。
圖1.材料加工方法與脈沖激光范圍
能夠同時(shí)滿足在幾十個(gè)微米的面積內(nèi)有合適的光通量，并且平均功率在幾十或者幾百個(gè)瓦特的超短脈沖激光器的研制很難實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谏源笥跓g閾值（≤1J/cm2）時(shí)，燒蝕的質(zhì)量最好，所以，激光脈沖能量不能超過(guò)10 μJ。這樣，提供平均功率的唯一方法就是增加激光的重復(fù)頻率，大于傳統(tǒng)的調(diào)Q范圍（使用普克爾盒時(shí)，該范圍≤500kHz）。
超短脈沖激光器的光纖方案
在工業(yè)應(yīng)用中，超短脈沖激光器與連續(xù)波操作具有相同的優(yōu)勢(shì)，插座效率高，尺寸小，需要的維護(hù)少，可靠性高。脈沖能量的限制主要來(lái)自光纖本身。單模光纖的中心直徑為10-20 μm，這等于許多微加工應(yīng)用中所選用的光斑尺寸。這樣，我們必須在一定范圍內(nèi)操作，使得光纖的非線性效應(yīng)和吸收不會(huì)影響脈沖的特性，仍然保持目標(biāo)燒蝕時(shí)的最佳條件。在實(shí)際操作中，很難在“標(biāo)準(zhǔn)”光纖內(nèi)提高超短脈沖的能量而超過(guò)5-10 μJ范圍，甚至在皮秒范圍也不能實(shí)現(xiàn)。在飛秒光纖激光器的情況下，光纖內(nèi)的脈沖寬度必須先被展寬，然后輸出光纖后被壓縮，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際的脈沖能量（啁啾脈沖放大，CPA）。
超短脈沖光纖激光器在連續(xù)波（CW）的模式下可以實(shí)現(xiàn)很高的功率。準(zhǔn)連續(xù)波（QCW）模式意味著很高的重復(fù)頻率（≥100 MHz），在這種情況下，材料燒蝕的反應(yīng)時(shí)間要比脈沖之間的間隔要長(zhǎng)。所以，激光與材料的相互作用接近CW激光器的情況。超短脈沖光纖激光器的鎖模過(guò)程在這個(gè)重復(fù)頻率范圍內(nèi)十分簡(jiǎn)便，提供了最簡(jiǎn)單的脈沖輸出技術(shù)。為了優(yōu)化材料加工時(shí)加工速度與質(zhì)量的關(guān)系，必須降低重復(fù)頻率，因此，可以使用所謂的“脈沖選擇”方案，能夠?qū)⒅貜?fù)頻率從百M(fèi)Hz降到MHz范圍。目前，對(duì)于不同材料來(lái)說(shuō)，非QCW重復(fù)頻率的最大值尚未得到確定。作為經(jīng)驗(yàn)法則，重復(fù)頻率高于1 MHz時(shí)，等離子體屏蔽現(xiàn)在開(kāi)始出現(xiàn)。不過(guò)，燒蝕率持續(xù)非線性的增加，直到至少10MHz處。頻率范圍在1-10MHz、脈沖能量為5-10 μJ的超短脈沖光纖激光器提供了很高的平均功率（5-100W）和材料去除率（光斑大小在5-10 μm）。薄膜的制圖通常需要很高的掃描速度（1-100 m/s），以便在大規(guī)模生產(chǎn)中能更經(jīng)濟(jì)。超短脈沖激光器在這些應(yīng)用中表現(xiàn)出眾。
光纖激光器在微加工方面的應(yīng)用
超短脈沖光纖激光器方案可以解決目前阻礙超短脈沖激光器進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的許多問(wèn)題。不過(guò)，材料去除效率以及邊緣質(zhì)量還取決于許多其他“非激光”因素。表格把這些因素劃分成三類，列出了這些變量，其中只有一類是與激光器本身有關(guān)的。這里需要注意，其他“非激光”的有關(guān)參數(shù)沒(méi)有列出來(lái)。脈沖的疊加量就是一個(gè)很好的例子，它既取決于激光參數(shù)（重復(fù)頻率），又取決于“非激光”參數(shù)（掃描速度）。表格中所有欄目的參數(shù)的優(yōu)化的組合就決定了最終的工業(yè)加工方案。因此，必須從整體上來(lái)考慮，從而得到由實(shí)際的應(yīng)用測(cè)試而確定的解決方案。不過(guò)，若要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠以最佳方式來(lái)加工所有材料和進(jìn)行所有加工的過(guò)程是不可能的。在實(shí)際過(guò)程中，必須建立一個(gè)專用的材料處理系統(tǒng)，專用的光學(xué)加工系統(tǒng)，以及專用的超短脈沖激光器。這是說(shuō)服用戶過(guò)渡到激光加工的最佳方法。
下面的例子給出了一些常見(jiàn)的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，超短脈沖光纖激光器能夠?yàn)榻K端的客戶加工提供最優(yōu)化的方案。這些應(yīng)用還包括光學(xué)器件加工和材料裝卸自動(dòng)化過(guò)程的優(yōu)化，這些并不是這篇文章的主要內(nèi)容。相反的，我們將討論一些加工過(guò)程所需要的激光參數(shù)，這些討論說(shuō)明，超短脈沖光纖激光平臺(tái)可以很好地滿足這些要求。
薄膜制圖
最常見(jiàn)的制圖技術(shù)是光刻技術(shù)，該技術(shù)包括了幾個(gè)步驟，掩膜和化學(xué)藥品。這個(gè)加工過(guò)程有一些問(wèn)題：高投資成本、耗時(shí)/多步驟、不靈活，以及環(huán)境問(wèn)題。
不同的激光技術(shù)已經(jīng)被引進(jìn)到制圖過(guò)程，通常這個(gè)過(guò)程被稱為激光直接寫入。激光技術(shù)有望克服那些傳統(tǒng)技術(shù)存在的問(wèn)題，激光技術(shù)投資成本更低，對(duì)工件沒(méi)有機(jī)械壓力，也不需要使用化學(xué)藥品。傳統(tǒng)的激光器并沒(méi)有解決所有相關(guān)的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生了較大的熱影響區(qū)域（HAZ），這個(gè)問(wèn)題將影響加工質(zhì)量。使用綠光或者紫外光范圍的激光器就能夠減輕這個(gè)問(wèn)題，但是并不能夠完全避免這個(gè)問(wèn)題。
據(jù)證實(shí)，使用超短脈沖激光技術(shù)，可以使材料的加工質(zhì)量更好，精度更高，這是因?yàn)椋?dāng)脈沖寬度縮短到了超短范圍，熱影響區(qū)域（HAZ）與沖擊波影響區(qū)（SAZ）就顯著減小，而這兩項(xiàng)是影響加工質(zhì)量的主要因素。然而，加工速度已經(jīng)成為這些激光器的一個(gè)問(wèn)題。此外，超短脈沖激光器系統(tǒng)復(fù)雜、占空間、昂貴、難以操作，因此不適合與生產(chǎn)線相結(jié)合。
千赫茲與兆赫茲超短脈沖激光器系統(tǒng)
薄膜制圖過(guò)程中，尤其困難的是對(duì)聚合物上的薄膜進(jìn)行制圖。通常，能夠?qū)⒈∧こニ璧哪芰繌?qiáng)度（燒蝕閾值）接近或者高于破壞多聚物或者下面幾層所需的強(qiáng)度。要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的微加工就要求能量強(qiáng)度稍高于燒蝕閾值。并且，10-50μm的刻痕就足夠產(chǎn)生絕緣，并使得在最后的產(chǎn)品中有更小的特征參數(shù)。圖2給出了千赫茲與兆赫茲激光器運(yùn)行時(shí)主要參數(shù)的區(qū)別。在這個(gè)圖示中，（每秒鐘）同樣數(shù)量的材料被燒蝕掉，但只有兆赫茲激光能夠有10-50μm的光斑，可以來(lái)進(jìn)行高質(zhì)量的微加工。為了得到最佳的光通量，與激光a相比，激光b就必須有10倍大的光斑。千赫茲速率的超短脈沖激光也可以有更小的光斑和更低的脈沖能量。但是這樣，總的平均功率和加工速度就下降了。
材料加工實(shí)例
不同類型的金屬或者金屬氧化物薄膜可以被用于電子業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)。例如，Corelase公司進(jìn)行了一系列的測(cè)試來(lái)表明，在多聚物上的薄膜加工，其質(zhì)量和性能得到了提高，并且不會(huì)影響到多聚物本身。測(cè)試過(guò)程使用了Corelase X-LASE 皮秒脈沖激光與掃描光學(xué)元件相結(jié)合的設(shè)備。在這些測(cè)試中，一系列不同大小的刻痕或圖案被加工在不同的薄膜上，這些薄膜包括了氧化銦錫（ITO）、氧化錫（SnO）、鎳膜（Ni）和鋁膜（Al），這些材料在平板顯示器及太陽(yáng)能電池工業(yè)中都很常見(jiàn)。
ITO薄膜的加工如圖3，厚度為20nm的ITO層上劃了一條20μm的刻槽，加工參數(shù)0.55W@2MHz。加工過(guò)程沒(méi)有對(duì)底下的多聚物層帶來(lái)任何的損壞。
SnO薄膜加工如圖4所示，在厚度為600nm的SnO薄膜上劃有兩條12 μm刻槽，加工參數(shù)為2W@2MHz。這項(xiàng)加工對(duì)底下的多聚物層，沒(méi)有任何的損壞。
圖5中給出了加工了的Ni薄膜，上面有兩條30μm的刻槽，Ni層厚度為20nm，加工參數(shù)為0.8W@2MHz。加工過(guò)程沒(méi)有給下面的多聚物帶來(lái)任何損壞。
圖6中給出了加工了的Al薄膜，上面有兩條30μm的刻槽，Al層厚度為100nm，加工參數(shù)為3W@2MHz。同樣的，加工過(guò)程沒(méi)有給下面的多聚物帶來(lái)任何損壞。
結(jié)論
由于電子消費(fèi)品市場(chǎng)瞬息萬(wàn)變，微加工可稱為激光技術(shù)應(yīng)用中進(jìn)步最快的領(lǐng)域。薄膜制圖就是這些應(yīng)用中的典型例子。重復(fù)頻率為兆赫茲的皮秒光纖激光器很適合于進(jìn)行薄膜的加工。加工質(zhì)量高，加工速度快（達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的高級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)），使得激光技術(shù)成為一項(xiàng)頗具吸引力的工業(yè)技術(shù)。
