文/Sami Hendow，IMRA America

从一家大型汽车制造商的生产线上下线的汽车发动机活塞；该活塞已经过飞秒激光处理，以提升发动机性能。

2018年诺贝尔物理学奖授予Arthur Ashkin、Gérard Mourou和Donna Strickland，以表彰他们在激光物理学领域的突破性发明。特别是，Mourou和Strickland因其产生高强度超短光脉冲的方法而获得诺贝尔奖。该方法通常称为啁啾脉冲放大（CPA；见图1）。该奖项不仅是为了表彰科学界对CPA革新性的承认，也是因为它对激光产业产生的影响。目前，CPA是产生飞秒脉冲的主要手段。

业界对产生和使用越来越短、越来越强的激光脉冲的兴趣一直很高。然而，现实中也存在一种物理障碍，阻止这种脉冲在固态放大器和光纤中被高度放大。随着脉冲的变短和峰值功率的增加，出现的光学非线性问题限制了在材料中传输的峰值光功率。由光学非线性效应引起的相干光散射降低了放大器的效率，并且导致其他不良后果。然而，更重要的是，强激光脉冲的高峰值功率，达到了放大器系统中元件的材料损伤阈值。

CPA通过使用长的光纤或一对衍射光栅，在放大之前展宽激光脉冲来绕过这些限制（见图1）。在对展宽的脉冲进行放大之后（远低于放大器元件的光学损伤阈值）排布了一个光栅对，使得脉冲长波部分的光程比短波部分的光程短，从而逆转早期的脉冲展宽。这一概念提供了一种产生高能量超快激光脉冲的方法，开辟了许多科学应用以及随后的工业应用。

图1：Strickland和Mourou在1985年发表的CPA系统示意图。[1]

Ultrashort pulse, low energy 超短脉冲，低能量

Chirped pulse, low energy 啁啾脉冲，低能量

Chirped pulse, high energy 啁啾脉冲，高能量

Seed oscillator 注入种子光的谐振腔

Stretcher 展宽器

Amplifier 放大器

Ultrashort pulse, high energy 超短脉冲，高能量

Compressor 压缩器

背 景

20世纪90年代早期，钛宝石（Ti:sapphire）激光器是研究市场的流行工具。其宽可调带宽、短脉冲和高能量，使得研究许多新颖的应用成为可能。多光子成像一直是受益于此能力的成功应用之一。

尽管取得了这些成就，但这种早期技术由于其规模和复杂性而未能在商业上广泛部署。随着光通信的发展，基于光纤的飞秒激光技术得到了长足的改进，部分地克服了钛宝石激光器的缺点；但由于仍然存在功率和脉冲能量低的问题，因此取得的成功是有限的。最后，CPA技术与光纤激光器的发展相结合，实现了前所未有的市场应用和机会。

由于CPA的发明是公开的，许多学术和商业组织将这一概念运用于惊人的应用中，并且受益良多。1999年，美国加州理工学院的Ahmed Zewail因使用飞秒光谱学研究化学反应的过渡态而获得了诺贝尔化学奖。

飞秒激光在非学术领域的首次大规模应用是在眼科领域。高强度飞秒脉冲，是在没有热损伤的情况下分离透明生物组织的理想工具。在用准分子激光器重塑角膜基质之前，通过飞秒激光产生角膜瓣，已经在视力矫正方面实现了商业化。

今天，全飞秒激光角膜视力矫正已成为可能。基于光纤的CPA（FCPA）已被证明是这种先进眼科应用的理想选择，因为它的可靠性支撑了光学性能。

21世纪初期的经济放缓，为几项新技术的发展开辟了道路。其中最重要的是人们对高功率激光光源的兴趣，激发了对包层泵浦光纤放大器和高功率固态激光器的兴趣。这些发展的早期应用包括元件和仪器测试，以及国防相关应用的材料损伤分析。

材 料 加 工

与此同时，在材料加工领域，皮秒脉冲激光器被认为是优于纳秒激光器的新工具。皮秒脉冲的使用减少了材料的热损伤，从而使激光能够更广泛地渗透到制造业领域，例如用于打标、钻孔和切割。

尽管如此，由于飞秒激光技术的特性及其对材料加工的显著改进，使得飞秒激光器在许多应用中已经成为“必须”的工具。IMRA America公司在2002年首次生产出用于材料加工的微焦量级的商业化飞秒FCPA激光器。[2]基于光纤技术，FCPA成为构建高峰值功率、高平均功率和高脉冲能量飞秒激光器的常用手段。

大体上说，飞秒脉冲激光器对热影响区（HAZ）减少的水平，是其他激光器无法比拟的。接近手术水平地将能量输送到工件，为FCPA在精密消费电子零件制造（包括显示器行业）领域的应用打开了大门。

飞秒激光器在切割硅晶圆方面的应用一直备受关注，因为飞秒激光脉冲的高峰值功率，可用于消融硅晶圆和其他沉积在硅晶圆表面的材料，并且对相邻组件的影响或热损伤最小。通常，这些硅晶圆预先配置了切割通道。这些通道也用于芯片分割之前的探测和测试。因此，切割通道填充有传感器和探测点。在这种情况下，飞秒光束用于去除那些附加的表面层，同时支持硅晶圆的隐形切割。由于飞秒激光脉冲在坚硬、透明蓝宝石衬底中独特的强非线性吸收，飞秒激光器也是从蓝宝石晶圆中分离出高亮度LED芯片的理想选择。

玻 璃 加 工

一直以来，消费电子行业切割和加工玻璃的主要方法都是机械方法。然而，使用飞秒脉冲激光加工玻璃的应用正在兴起。通孔钻孔是一个例子，利用飞秒光束辐照玻璃，引起折射率变化。然后在酸浴中刻蚀玻璃，去除被辐照区域。这些零件用于多芯片平台，产生高密度和快速芯片连接结构，使得垂直集成IC成为可能。

另一种应用是在玻璃上刻图和去除薄膜，就像对导电氧化铟锡（ITO）薄膜、电致变色薄膜和其他薄膜所做的处理一样。

玻璃焊接也是一个感兴趣的话题，因为它不使用粘合剂或填料。这一点对于微电子封装行业非常重要，因为它消除了内部污染和除气的问题，并且省去了吸气剂的使用（专门添加的物质用于吸收这些不需要的物质）。在这个过程中，两个玻璃零件光学接触，并暴露于飞秒激光束中：飞秒脉冲的高峰值功率在玻璃中引起多光子吸收，局部熔化玻璃，以此将两个零件焊接在一起，并产生持久的气密封（见图2）。

图2：从顶部看到，两个玻璃基板已经通过飞秒激光焊接，留下四条由光学条纹包围的垂直焊接线；插图所示为其中一条线的特写，表明焊缝宽度为100μm。

汽 车 行 业

飞秒脉冲激光在制造业的应用将持续发展和扩张。由于汽车行业需要高稳定性、高可靠性以及创新性，因此飞秒脉冲激光备受汽车行业的关注。例如，目前飞秒激光器已经用于发动机零件（包括活塞）的大批量处理（见图3）。

图3：一家主流汽车制造商生产的飞秒激光纹理加工的活塞；表面纹理应用于裙边区域，以减少摩擦，提升润滑功能。

提高汽车燃油经济性的努力，正在推动减轻车辆重量和提高运行效率方面的工作。发动机由更轻的铝合金制成，而表面纹理和排线被应用于移动部件，以减少摩擦同时提高耐久性。这些合金的使用，迫切需要减少磨损和延长使用寿命的工程解决方案。与其他技术相比，例如机械刻划表面、长脉冲激光打标，或者表面喷丸处理，飞秒激光交叉排线能够有效地扩散相关油膜，并且显著改善油保留。

这种纹理通常应用于活塞的裙部区域，经历大部分接触，结果表明在2000rpm的转速时，可减少高达25%的摩擦。飞秒激光器的使用还避免了划线区域毛刺的形成，从而省去了对去毛刺工艺的需求，进一步提高了制造效率。

FCPA在从医疗到汽车等各个市场领域的商业化，一直是可靠和创新产品工程的驱动力。特定应用的可靠性、激光行业测试标准和测试协议的发展相结合，使得飞秒激光在要求严苛的应用中实现不间断运行成为可能。

参考文献

1. D. Strickland and G. Mourou, Opt. Commun., 56, 3, 219 (Dec. 1, 1985).

2. See http://bit.ly/femtosecondref2.