飞秒激光微纳加工技术的发展及应用

在传统的使用长脉冲激光（微秒、纳秒等）进行材料加工应用中，激光与材料的相互作用主要是将激光能量转化为热量，以使材料局部熔化并气化，从而实现材料的去除。然而，该过程中，由于热量的累积，会形成较大且强烈的热影响区（HAZ）。在精密加工应用中，该热影响区域会使得材料加工区域过热形变、熔边、氧化发黑、残渣、毛边等不利影响，从而造成不可接受的功能或外观损坏，不仅会降低产品品质和良品率，通常还需要引入繁琐的后续清洁步骤来消除不利影响，这无疑会极大的增大生产成本。

 

随着激光技术的不断发展以及人们对加工品质的更高追求，超快激光加工技术应运而生。通常，超快激光指脉宽小于10ps的激光。其中，飞秒激光作为脉宽更短的超快激光，也被逐渐应用于激光加工过程中。

 

 

什么是飞秒激光
飞秒激光是指一种产生极短脉冲的激光技术，飞秒（fs）为时间的计量单位，1飞秒为1秒的一千万亿分之一。飞秒激光的脉冲持续时间通常介于几飞秒到几百飞秒，这使其成为当今实验条件下获得的最短的激光脉冲之一，而作为超快激光极端制造的利器，飞秒激光也是工业应用领域可稳定获得并使用的最短的激光脉冲。

 

 

飞秒激光的优势
相比较于常见的纳秒、皮秒激光器，飞秒激光的特性主要为以下三点：

• 飞秒激光脉冲具有超短的脉冲持续时间（脉宽），通常在10^-15s量级，即使是光在1fs内也只能传播0.3μm的距离；
• 飞秒激光脉冲具有超高的峰值功率，可轻松实现10¹²W量级，该峰值功率远超全球电网的总功率；
• 飞秒激光脉冲经过聚焦后，能形成微米级尺度的焦点光斑，光斑中心区域的峰值能量密度可达到10²⁰～10²²W/cm²量级，可以激发极强的局域强电磁场，该局域电磁场强度比原子核对其周围电子的作用的库伦力还要高数倍，可直接破坏材料中原子之间的化学键，并将材料内部的电子瞬间激发电离，导致材料中带正电荷粒子之间由于强烈的库仑斥力而以等离子体的形式向外喷发,从而实现材料的去除。如下图所示：

 

 

飞秒激光的超短脉冲持续时间和超高峰值功率为科学实验研究提供了前所未有的极端物理条件，例如高时间分辨率、高电场和磁场强度、高压和热风。同时，也为当下极端制造提供了有效的加工工具。

 

飞秒激光超短的脉宽及超高的峰值功率，可诱导材料发生非线性吸收效应，获取尺寸远小于衍射极限的焦点光斑，从而大幅提升加工的空间分辨率。此外，由于飞秒激光的脉冲持续时间远小于热弛豫时间。因此，飞秒激光加工过程中几乎没有热量产生，俗称“冷”加工，可以利用飞秒激光对任何材料进行超精细切割、打孔、刻蚀等加工，可直接避免常规长脉冲激光加工过程中，材料由于热量累积导致的过热开裂、氧化、熔化等现象，意味着在飞秒激光加工过程中几乎不存在碳化、熔渣、残屑等影响产品加工品质的现象。这可以简化甚至直接省去后续产品清洁步骤，无疑可极大的降低加工成本和缩短产品生产周期。飞秒激光加工效果示意图如下图所示：

 

 

飞秒激光器的脉冲重复频率可高达兆赫兹（MHz）甚至吉赫兹（GHz），这种高重复频率意味着每秒钟可以产生数百万乃至数十亿个激光脉冲，极大地提高了加工速率。这对于工业应用尤为重要，因为它能够显著减少加工时间，提高生产率，同时保持飞秒激光加工的高精度和质量。

 

飞秒激光器的脉冲重复频率可高达兆赫兹（MHz）甚至吉赫兹（GHz），这种高重复频率意味着每秒钟可以产生数百万乃至数十亿个激光脉冲，极大地提高了加工速率。这对于工业应用尤为重要，因为它能够显著减少加工时间，提高生产率，同时保持飞秒激光加工的高精度和质量。

 

飞秒激光与物质作用过程

 

飞秒激光的应用
飞秒激光超精细加工技术的诸多优异性能，使其成为极端制造领域不可替代的加工利器，并被广泛应用于生物医疗、半导体微电子、航空航天等领域，为现代科技发展提供了重要支持和解决方案。

 

超快激光脉冲作用于物质表面效果

 

飞秒激光设备在医疗器械领域有多种应用，例如微流控芯片、介植入器械、检验分析仪器，例如：微流控芯片是一种在微米尺度空间对流体进行操控的技术，具有将实验室基本功能微缩到芯片上的能力。PDMS膜因其优异的性能，在微流控芯片制造中得到广泛应用。在微流控芯片制造过程中，PDMS膜微孔加工和微通道刻蚀是关键步骤之一。通过飞秒激光精确加工，可以实现微通道与外部的连接，保证流体的顺利流通。例如，在一些生物分析芯片中，需要精确控制孔的大小和位置，以实现样品的准确引入和反应产物的有效输出。打孔和刻蚀后的PDMS膜能够为微流控芯片提供良好的流体控制和样品处理能力，使其在疾病诊断、药物筛选、病理分析等应用中发挥重要作用。

 

微流控芯片

 

飞秒激光在细胞过滤膜上打孔是一项关键的工艺技术，用于创建具有特定孔径和分布的孔阵，以实现细胞的分离、筛选和过滤。飞秒激光能够实现微米甚至纳米级别的孔径精度控制，确保孔径的高准确性和一致性，此外，由于飞秒激光的冷加工特性，过滤膜材料及周边区域的热损伤区域极其微弱，可最大程度地保持了膜的生物性能和功能完整性，可以根据不同的细胞过滤需求，调整孔的孔径、深度和空间分布等。

 

细胞过滤膜7μm微孔加工

 

在导管制造中，Pi管材打孔和切割具有重要意义。通过打孔，可以在导管上形成特定直径和空间分布的孔阵，用于液体或气体的传输。例如，在医疗输液导管中，打孔可以控制输液速度和流量，确保药物准确、稳定地输送到患者体内。此外，在一些特殊用途的导管中，如介入治疗用的导管，精确的位置和孔径有助于实现精准药物投放，从而取保疗效。

 

Pi管材打孔和切割

 

在精密模具治具生产中，飞秒激光可以对喷丝板、辊轴和轴承类产品进行精密加工，例如：喷丝板异形直通孔加工也是飞秒激光的应用之一。喷丝板是化纤生产中用于将高聚物熔体或溶液通过微孔挤出形成丝状物的精密部件。通常由高硬度耐腐蚀金属材料制成，如不锈钢、钛合金等，通过飞秒激光在其表面加工大量的异型微孔，孔径从几十微米到几毫米。这些微孔的孔型、孔径、锥度、空间分布和数量共同决定了所生产出的纤维的粗细、截面形状和性能。例如，圆柱型微孔可生产出圆形截面的纤维，而异形微孔（如三角形、十字形、米字形等）则可生产出具有特殊截面形状的纤维，从而具备不同和性能，如增加透气性、提高韧性、改善光泽度、提高保暖性效果等。喷丝板的加工质量直接影响着化纤产品的质量和性能，是化纤生产过程中非常关键的部件之一。

 

喷丝板

 

飞秒激光能够在喷丝板上实现高质量、高精度的微孔加工。对于异形直通孔的加工，飞秒激光可以精确地控制孔的孔径、形状、锥度和表面粗糙度，确保孔的一致性和均匀性。

 

米字形喷丝板异形直通孔加工

 

在功能性表面微结构制造领域，利用飞秒激光在材料表面加工出纳米~微米周期性的表面微结构，赋予材料一些特殊功能，并可通过调整表面微结构的形态，实现功能的切换，如超亲水自浸润、超疏水自清洁、吸波防反射、抗菌抑病毒、表面炫彩等。此外，还可通过飞秒激光在材料表面加工出纳米级别的微结构，来显著增大材料表面的表面积，来显著提高材料表面性能，如快速散热、细胞粘附、细胞增殖等。

 

表面微结构刻蚀

 

在微电子和半导体领域，飞秒激光器能够精确切割和钻孔，加工出直径小于10微米的微孔，且边缘光滑无毛刺。这使其特别适用于制造复杂的微结构和纳米结构，精确加工微小机械和电子元件，如集成电路、微机电系统（MEMS）和功能型超表面等。

 

金属薄片9μm微孔加工

 

金属涂层刻蚀加工

 

在航空航天和汽车制造领域，通过精密切割和加工，能够制造高精度和复杂的零部件，其高效率和高质量的加工能力，满足了现代工业制造的严格要求。例如：飞秒激光在喷油嘴加工方面具有显著的应用优势。飞秒激光能够实现微米级精度的微孔加工，这对于喷油嘴至关重要。飞秒激光可在喷油嘴上打出微小且均匀的喷孔，精确控制孔径大小、锥度和形状，从而优化燃油喷射的雾化效果和喷射模式，提高燃烧效率。飞秒激光加工还能确保喷孔的内壁光滑，减少燃油流动的阻力，提高喷油效率。同时，其非接触式的加工方式避免了传统加工可能带来的机械应力和热变形，保证了喷油嘴的结构完整性和尺寸精度。

 

在实际应用中，飞秒激光可以加工出具有复杂形状和特定分布的喷孔阵列，以满足不同发动机工况和燃烧需求。例如，对于高性能发动机，通过飞秒激光加工出更细密且分布合理的喷孔，能够实现更精准的燃油喷射控制，提高燃烧效率，降低尾气排放。

 

喷油嘴19000个直径150μm微孔加工

 

深圳市单色科技有限公司是国内飞秒激光微纳加工装备的新锐企业，由先进激光领域优秀企业和科研单位团队组建，致力于飞秒激光微纳加工技术研究及应用，主要涉及飞秒激光切割、打孔和刻蚀。