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超短脈沖激光器的工業成熟度引發了眾多材料加工方法的發展。最近，來自德國通快激光的研究人員將超快激光卓越的時間脈沖特性與先進的結構光概念相結合，引起了激光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——制造越來越小的產品和組件，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制造商開發工具和加工策略。超短脈沖激光代表了可用于微米和納米級加工的獨特的工具。從約100fs到約10ps的脈沖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。

幾乎在每個光電設備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，這些材料主要由于極高的機械或化學性能而成為加工中極具挑戰性的例子。特別是超短脈沖激光顯示出巨大的潛力，可作為微妙的工具，用于在表面或體積內部進行受控的能量沉積。同時，由于邊緣的熱擴散，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。此類激光器通常提供的單個近乎衍射極限的高斯焦點分布代表了理想的焦點，僅在特殊情況下才可用于特定的激光加工過程。在考慮更有效的、行業兼容的概念以產生高吞吐量時，更復雜的空間分布變得尤其有吸引力。因此，除了超短脈沖激光器的顯著時間特性外，還需要在所有空間自由度上定制聚焦分布。

最近，“結構光”一詞已被用來涵蓋先進的光束整形概念，其中激光輻射的所有空間和時間特性都被操縱以實現定制的光狀態。在目前的情況下，時間特性是由工業超快激光平臺確定的，該平臺使用具有1ps持續時間的帶限脈沖。另一方面，空間特性由基于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納米)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沖，如下圖1。

圖1. 超短脈沖處理光學的模塊化概念。

▲圖解：(a)自由空間或光纖引導的脈沖是(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)傳播步驟之后，(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/遠場變換步驟可以通過單次照射多個元件或多次照射單個元件來實現

激光切割透明材料

基于開發的用于垂直玻璃切割的加工方法，近來，對定制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，這是由于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復雜，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于，所應用的非衍射焦點分布需要敏感的像差校正，以補償由通過傾斜或彎曲界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后的傳播，其中獲得了峰值強度降低的復雜干涉圖案，特別是對于更大的傳播距離z。現在，研究人員實際上應用了像差校正，并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、內外輪廓復雜的玻璃管單程切割概念的有效性。

圖2. 切割具有復雜內部和外部輪廓的玻璃管

透明材料的選擇性激光蝕刻

超短脈沖體積修改和隨后對電介質的選擇性化學刻蝕（稱為選擇性激光蝕刻(selective laser etching, SLE)）相結合，可以快速制造具有最小結構特征的任意形狀的三維（3D）玻璃結構，最小的結構特征可低至10μm規模。

圖3

▲圖解：(a)熔融石英晶片（4英寸），厚度為350μm，具有通過選擇性激光蝕刻制成的直徑為0.25至6 mm的高質量玻璃通孔。(b)激光入射玻璃側面的顯微鏡圖像確認了高質量的邊緣輪廓。(c)通過SEM圖像證明的無錐度玻璃通孔。

在激光加工過程中，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。修改后的體積通常顯示出比基礎材料高100倍的蝕刻速率。取決于要處理的相應材料、適應的脈沖能量、持續時間和受控的時空能量沉積策略可以制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）。通過施加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。

透明材料的激光焊接

TRUMPF超短脈沖焊接產品組合包括一個超短脈沖激光源（TruMicro 2000系列）和TOP Weld光學元件。如圖4(a)中測得的剪切強度所示，這樣生成的焦點分布會導致更高的處理性能。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

使用時間脈沖能量調制，甚至可以改善焊接性能。如Nakamura等人所示，脈沖能量的時間調制可以減少焊縫內部和周圍的永久應力，并允許較大的焊縫尺寸。添加了可以直接在TruMicro 2000系列的激光控制中設置的這項技術，可以將圖4(a)所示的焦距提高到300μm大猩猩玻璃杯。工業環境中焊接的另一個重要特征是間隙的橋接。如上所述，最新技術僅限于3μm。通過使用TOP Weld光學元件，間隙最大可達到7μm以及脈沖能量調制間隙甚至可以達到 10μm可以橋接。通過這種方式，可以解決消費電子，生物醫學或MEMS設備封裝領域中的實際應用。

激光表面結構和沖擊鉆

超短激光脈沖的鉆孔工藝可以滿足顯示器和電子行業高端應用的需求。尤其是，微結構的制造需要最高的精度和對工件的最小損壞。盡管要處理的材料千差萬別，從高吸收性材料到透明材料，該處理策略通常基于高斯焦點，該焦點使用掃描儀光學器件或光學器件對準工件。盡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，例如在多層堆疊中制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）用于制造OLED顯示器需要精確的矩形孔形狀以及定制的錐角，并最大程度地減少殘留顆粒污染。最后，可實現的吞吐量決定了超短脈沖激光平臺的實現。

圖5. 使用如圖所示的平頂光束輪廓進行鉆孔的結果

▲圖6. 在FMM應用中，可在Invar箔中鉆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