過(guò)去十年中，超快光纖激光器技術(shù)在總功率、脈沖和光束質(zhì)量、易用性和穩(wěn)健性等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。因此，超快光纖激光器開(kāi)始應(yīng)用于多個(gè)制造行業(yè)中對(duì)材料進(jìn)行高效、高精度的加工。本文章總結(jié)了最近用高脈沖重復(fù)頻率的超快光纖激光器進(jìn)行材料微加工的幾項(xiàng)研究進(jìn)展。特別有趣的是，在一些其他的材料研究中，幾種激光加工的材料被發(fā)現(xiàn)了新的特性和功能，這導(dǎo)致超快光纖激光器不僅被當(dāng)作一種強(qiáng)大的材料成型工具，同時(shí)也有可能成為一種有效的材料制備工具。

　　玻璃和塑料焊接

　　對(duì)于大部分精密的材料加工應(yīng)用來(lái)說(shuō)，在工件中產(chǎn)生的多余熱量是不需要的。然而，對(duì)于透明材料的微焊來(lái)說(shuō)，精密控制的熱量積蓄對(duì)于融化材料并形成焊縫非常關(guān)鍵。聚焦的超短脈沖的高強(qiáng)度會(huì)引起透明材料中的非線(xiàn)性吸收，因此只會(huì)在兩種材料的接觸面上激光焦點(diǎn)周?chē)苄〉膮^(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量。每一個(gè)激光脈沖都會(huì)產(chǎn)生很少的熱量，如果焦點(diǎn)區(qū)域在下一個(gè)脈沖來(lái)之前就冷卻下來(lái)，那么這個(gè)熱量也就可忽略不計(jì)。如果脈沖之間的空間重疊以及脈沖重復(fù)頻率足夠高(數(shù)百kHz及以上)，熱量將迅速地在這一區(qū)域積累并引起材料熔化。可以通過(guò)改變重復(fù)頻率及光束掃描速度來(lái)精確地控制熔化的量。這一技術(shù)已經(jīng)在玻璃和塑料焊接上得到了應(yīng)用。圖1展示了兩塊玻璃之間焊接面的截面。這種無(wú)需密封的高速、精確的焊接有許多好處，例如在制造太陽(yáng)能電池板時(shí)面板邊緣需要密封，目前要用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的密封膠和熱熔系統(tǒng)來(lái)完成。

　　“脈沖串模式”脈沖激光沉積脈沖微光切割你了解多少？

　　脈沖激光沉積制造薄膜技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新材料開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)研究中。大功率納秒脈沖激光燒蝕往往會(huì)在等離子體羽輝(羽毛狀的發(fā)光團(tuán))中形成大的熔滴，這會(huì)影響薄膜質(zhì)量。有許多機(jī)械和電子的方法可以控制燒蝕的羽輝來(lái)補(bǔ)救熔滴的問(wèn)題。高重復(fù)頻率的超快光纖激光器提供了一種替代解決方案。特別是將激光脈沖集合在一起形成一個(gè)脈沖串(bursts)，每個(gè)脈沖串包含數(shù)個(gè)單獨(dú)的脈沖，這可以實(shí)現(xiàn)更為精確的熱量控制，讓靶標(biāo)物直接氣化而不會(huì)形成大的熔滴。

　　光纖激光體系可以直接從激光光源快速地輸出脈沖串，稱(chēng)為脈沖串模式。例如，如圖2(a)所示，在進(jìn)入放大階段之前，可以用聲光調(diào)制器從50MHz的振蕩器中篩選種子脈沖，最后輸出的是由多級(jí)脈沖組成的脈沖串，而且相鄰脈沖的間隔為20納秒。20納秒的脈沖間隔非常短，可以引起多重累積效應(yīng)，包括靶標(biāo)物的熱量以及燒蝕羽輝和緊隨其后的激光脈沖間的熱量，最終這將可以?xún)?yōu)化薄膜質(zhì)量。圖2(b)展示了用這種方法沉積的TiO2薄膜。如圖中的透射電子顯微鏡圖(TEM)所示，薄膜的質(zhì)量非常高，薄膜表面達(dá)到了原子級(jí)別的平滑程度，薄膜和基質(zhì)間的界面也很平滑。用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察100毫米的區(qū)域也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大的熔滴。

　　表面微造型

　　作為一種替代性的表面處理方法，與傳統(tǒng)的噴砂法和化學(xué)腐蝕法相比，激光表面微造型技術(shù)(LST)可以通過(guò)其具有的高精度和預(yù)設(shè)計(jì)的方式來(lái)改進(jìn)摩擦學(xué)性能。另一方面，眾所周知，幾十年來(lái)激光燒蝕也可以在包括亞波長(zhǎng)至幾百納米尺度范圍的固體表面上制作規(guī)則的圖案。這種成型方法通?？梢杂帽砻嫔⑸洳ê图す夤馐g的耦合干擾來(lái)解釋。在實(shí)踐中，這種現(xiàn)象在接近燒蝕閥值時(shí)最為突出。考慮到干擾的性質(zhì)，可以通過(guò)改變激光偏振來(lái)控制圖案的定位。然而，這種有趣的現(xiàn)象并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。

　　在最近的研究中，我們發(fā)現(xiàn)在某些條件下激光造型的金屬表面會(huì)變得高度疏水(它們排斥水)。圖3(a-b)顯示了用線(xiàn)偏振和圓偏振制成的激光誘導(dǎo)線(xiàn)形和顆粒形表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖3(c)顯示了不銹鋼表面的激光圖案上的水滴的影圖。水滴的銳角小于30°，這表明金屬表面是高疏水性的，這使得有可能形成由多孔的固體和困于其中的空氣組成的復(fù)合表面，從而將與水接觸的面積最小化。

　　當(dāng)可以用高重復(fù)頻率的超短脈沖激光器和機(jī)器人來(lái)處理大面積、超疏水的金屬表面時(shí)，可以用這種技術(shù)來(lái)生產(chǎn)大型戶(hù)外設(shè)備，例如具有防覆冰表面的風(fēng)力機(jī)葉片。行業(yè)現(xiàn)在仍在尋找一種有效的方法，目前比較成功的光刻法仍然局限于研究實(shí)驗(yàn)室中，而且價(jià)格昂貴。

　　透明介質(zhì)上的激光打印

　　脈沖激光沉積的一種特殊變體是激光誘導(dǎo)反向轉(zhuǎn)移(LIBT)技術(shù)，可以應(yīng)用于高分辨率的激光直寫(xiě)。這項(xiàng)技術(shù)是用激光光束穿過(guò)透明的基質(zhì)來(lái)燒蝕附近的靶標(biāo)物。激光誘導(dǎo)蒸汽被反向推動(dòng)到透明的基質(zhì)上進(jìn)行沉淀。LIBT技術(shù)在激光領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。將超快光纖激光器用于這項(xiàng)技術(shù)，我們可以進(jìn)行廣泛、連續(xù)的灰度范圍內(nèi)的圖像打印，這只能在MHz級(jí)別的高重復(fù)頻率下實(shí)現(xiàn)。圖4(a)展示了這一體系。計(jì)算機(jī)控制的光束掃描儀根據(jù)原始圖像的灰度級(jí)別來(lái)改變光束掃描速度。高重復(fù)頻率會(huì)產(chǎn)生多脈沖的空間重疊，相應(yīng)的沉積量也會(huì)累積，從而渲染出連續(xù)灰度的視覺(jué)效果。

　　這種技術(shù)可以擴(kuò)展打印材料的附加功能。圖5 是一個(gè)打印熒光文字的例子，靶標(biāo)物由磷粉組成。圖5(a)顯示了打印的文字在房間內(nèi)的燈光下呈半透明。圖5(b)顯示了用紫外線(xiàn)照射同樣的文字， 靶標(biāo)物的磷粉發(fā)出明亮的橙色熒光。這個(gè)示例說(shuō)明超短脈沖激光燒蝕不是一個(gè)破壞性的過(guò)程， 并沒(méi)有破壞材料， 通過(guò)激光燒蝕可以保留靶標(biāo)物的某些功能特性。

　　金、銀和磁性材料的納米顆粒納米級(jí)別微型3D激光打標(biāo)機(jī)在生物醫(yī)學(xué)科學(xué)領(lǐng)域有著許多潛在的應(yīng)用價(jià)值，包括基于納米顆粒的免疫學(xué)測(cè)定、藥物靶向輸送、溫?zé)岑煼ê歪t(yī)療圖像增強(qiáng)等等。標(biāo)準(zhǔn)的納米顆粒膠體合成方法是用化學(xué)方法減少液體溶劑中的金屬前體，用表面活性劑來(lái)穩(wěn)定顆粒，阻止其聚合。這有可能會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)，對(duì)于生物應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不夠理想的。在液體中使用激光燒蝕是一種物理方法，可以生產(chǎn)高純度的金屬納米顆粒膠體。在實(shí)際應(yīng)用中，靶標(biāo)物(例如一塊金片)放在一種液體溶劑(例如水)中。激光光束聚焦在靶標(biāo)物的表面進(jìn)行燒蝕，同時(shí)在液體溶劑中也會(huì)產(chǎn)生納米顆粒。考慮到獨(dú)特的固液相變過(guò)程，應(yīng)首選飛秒脈沖來(lái)形成納米顆粒。較高的重復(fù)頻率和光束掃描速度可以提高生產(chǎn)速度。

　　在液體中進(jìn)行激光燒蝕的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)是，納米顆粒表面在燒蝕期間是帶電的，而膠體在靜電中是穩(wěn)定的，無(wú)需穩(wěn)定劑，例如在化學(xué)合成方法中廣泛使用的檸檬酸。這是特別有利的，因?yàn)樵趯?duì)納米顆粒的表面進(jìn)行生物功能基化時(shí)，金的表面更容易與其他試劑發(fā)生反應(yīng)。圖6顯示了各種材料的膠體，包括貴金屬、金屬合金和有機(jī)物，所有這些都是用超快脈沖激光在液體中進(jìn)行燒蝕而制成的。

　　總結(jié)

　　超快光纖激光器正逐漸成為材料微加工領(lǐng)域的一柄利器。除了超短脈沖持續(xù)時(shí)間，還有光纖激光體系結(jié)構(gòu)提供的MHz范圍內(nèi)的高重復(fù)頻率和脈沖串模式，這些都有助于實(shí)現(xiàn)更為精確的熱量控制和較高的處理速度。

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