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飞秒激光加工原理及优势

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，激光与材料的主要相互作用是将激光能量转化为热效应，以使材料熔化和气化现象，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）。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。

飞秒激光的脉冲时间短，能够抑制激光作用区域周围的热影响区的产生，因而可以实现材料的高质量加工。这是由于飞秒激光的脉宽小于光与物质相互作用中电子声子的耦合时间（1-100ps），此时激光能量大部分被电子所吸收并迅速转移给晶格，而没有热扩散损耗。因此，飞秒激光辐照区周围的热扩散可以忽略，上图(a)是传统激光器加工时材料的热影响，图(b)是采用飞秒激光加工时材料的热影响区。

飞秒激光打孔硬脆材料

硬脆材料由于具有高导热、强绝缘性而成为集成电路基板、半导体封装、温敏元件组件的最佳材料。但是由于属于脆性材料，所以在加工的时候容易断裂崩碎。传统的刀具切割或者超声波加工存在表面粗糙度较大，加工精度低等问题，而长脉冲激光的加工存在热效应显著，伴随着大量残渣物的问题。以飞秒激光为代表的超短脉冲激光加工不但可以突破衍射极限进行精细加工，而且可以实现低能耗高效率的冷加工。材料打孔是利用激光的高功率可以直接移除材料的特性的一种应用。

飞秒激光脉冲一般是遵循高斯分布的，所以只要使得脉冲的峰值功率密度稍微超过材料的阈值能量密度，就可以加工出很小尺寸的小孔，甚至可以超越衍射极限。飞秒脉冲激光的作用时间短暂，相比于长脉冲的打孔，小孔周围的热影响区域更弱，小孔表面的残渣更少，可以获得更高的深径比。