超短脉冲激光器的工业成熟度引发了众多材料加工方法的发展。最近，来自德国通快激光的研究人员将超快激光卓越的时间脉冲特性与先进的结构光概念相结合，引起了激光应用方法开发的突破，该方法现在将逐步进入工业环境。

小型化——制造越来越小的产品和组件，同时又要保持其功能和质量的趋势——是个迟早会影响所现有技术的过程。产品尺寸和重量减小，从而降低成本的前景促使制造商开发工具和加工策略。超短脉冲激光代表了可用于微米和纳米级加工的独特的工具。从约100fs到约10ps的脉冲持续时间以及相应的极端峰值强度会导致与所有可能的材料发生相互作用，而与物质状态或吸收行为无关。

几乎在每个光电设备中都可以找到诸如玻璃或蓝宝石之类的透明且易碎的材料，这些材料主要由于极高的机械或化学性能而成为加工中极具挑战性的例子。特别是超短脉冲激光显示出巨大的潜力，可作为微妙的工具，用于在表面或体积内部进行受控的能量沉积。同时，由于边缘的热扩散，未处理的相邻区域的所需光学特性或已实现的光学功能不会受到影响。此类激光器通常提供的单个近乎衍射极限的高斯焦点分布代表了理想的焦点，仅在特殊情况下才可用于特定的激光加工过程。在考虑更有效的、行业兼容的概念以产生高吞吐量时，更复杂的空间分布变得尤其有吸引力。因此，除了超短脉冲激光器的显著时间特性外，还需要在所有空间自由度上定制聚焦分布。

最近，“结构光”一词已被用来涵盖先进的光束整形概念，其中激光辐射的所有空间和时间特性都被操纵以实现定制的光状态。在目前的情况下，时间特性是由工业超快激光平台确定的，该平台使用具有1ps持续时间的带限脉冲。另一方面，空间特性由基于例如一次或多次照射的衍射光学元件、自由形式光学元件或几何相位全息(固定或自适应版本)的高效和抗功率概念决定。光束成形元件与聚焦单元(使用的最大为0.5纳米)一起形成加工光学元件，加工光学元件通常被馈送自由空间或光纤引导的脉冲，如下图1。

图1. 超短脉冲处理光学的模块化概念。

▲图解：(a)自由空间或光纤引导的脉冲是(b)照明光束整形元件和(c)在自由空间传播或转换成它们各自的远场。在进一步的可能的光束成形和(d)传播步骤之后，(e)产生的光场被物镜聚焦/成像到工件上或工件中。交替的光束成形和光束传播/远场变换步骤可以通过单次照射多个元件或多次照射单个元件来实现

激光切割透明材料

基于开发的用于垂直玻璃切割的加工方法，近来，对定制玻璃边缘的需求增加，例如倒角或斜面结构。除了视觉上的好处，这是由于增加了边缘稳定性和减少了潜在的边缘断裂。此外，基底的几何形状变得越来越复杂，人们对切割具有曲面的玻璃很感兴趣，如医疗技术中大量需要的管子、注射器和安瓿。这两种情况的挑战在于，所应用的非衍射焦点分布需要敏感的像差校正，以补偿由通过倾斜或弯曲界面的光束转变引起的相位扰动。下图显示了这一概念在加工具有给定直径的玻璃管的例子中。下图(a)模拟了贝塞尔-高斯光束在圆柱形玻璃表面后的传播，其中获得了峰值强度降低的复杂干涉图案，特别是对于更大的传播距离z。现在，研究人员实际上应用了像差校正，并获得了众所周知的贝塞尔-高斯光束的几乎不受干扰的轮廓，见下图(b), (c)和(d)描述了加工样品，证明了直径> 1毫米、内外轮廓复杂的玻璃管单程切割概念的有效性。

图2. 切割具有复杂内部和外部轮廓的玻璃管

透明材料的选择性激光蚀刻

超短脉冲体积修改和随后对电介质的选择性化学刻蚀（称为选择性激光蚀刻(selective laser etching, SLE)）相结合，可以快速制造具有最小结构特征的任意形状的三维（3D）玻璃结构，最小的结构特征可低至10μm规模。

图3

▲图解：(a)熔融石英晶片（4英寸），厚度为350μm，具有通过选择性激光蚀刻制成的直径为0.25至6 mm的高质量玻璃通孔。(b)激光入射玻璃侧面的显微镜图像确认了高质量的边缘轮廓。(c)通过SEM图像证明的无锥度玻璃通孔。

在激光加工过程中，沿着光束轮廓从光束的入口一直延伸到要加工的材料的出射侧延伸的细长变型依次排列。修改后的体积通常显示出比基础材料高100倍的蚀刻速率。取决于要处理的相应材料、适应的脉冲能量、持续时间和受控的时空能量沉积策略可以制造出具有高蚀刻速率的高质量，无锥度的2D几何形状。图3（a）显示了厚度为350μm的已加工熔融石英晶片，在该晶片中蚀刻了高密度的不同直径（0.25至6 mm之间）的玻璃通孔（TGV）。通过施加30重量％。在温度为80°C的超声浴中获得约20μm/ min的30 wt.％KOH蚀刻溶液。

透明材料的激光焊接

TRUMPF超短脉冲焊接产品组合包括一个超短脉冲激光源（TruMicro 2000系列）和TOP Weld光学元件。如图4(a)中测得的剪切强度所示，这样生成的焦点分布会导致更高的处理性能。焦距约230μm与最新的聚焦（高斯光束形状）相比，z方向上的230μm大约高三倍，同时保持了与体积材料一样高的断裂稳定性。

图4

使用时间脉冲能量调制，甚至可以改善焊接性能。如Nakamura等人所示，脉冲能量的时间调制可以减少焊缝内部和周围的永久应力，并允许较大的焊缝尺寸。添加了可以直接在TruMicro 2000系列的激光控制中设置的这项技术，可以将图4(a)所示的焦距提高到300μm大猩猩玻璃杯。工业环境中焊接的另一个重要特征是间隙的桥接。如上所述，最新技术仅限于3μm。通过使用TOP Weld光学元件，间隙最大可达到7μm以及脉冲能量调制间隙甚至可以达到 10μm可以桥接。通过这种方式，可以解决消费电子，生物医学或MEMS设备封装领域中的实际应用。

激光表面结构和冲击钻

超短激光脉冲的钻孔工艺可以满足显示器和电子行业高端应用的需求。尤其是，微结构的制造需要最高的精度和对工件的最小损坏。尽管要处理的材料千差万别，从高吸收性材料到透明材料，该处理策略通常基于高斯焦点，该焦点使用扫描仪光学器件或光学器件对准工件。尽管通常可以获得高质量的加工结果，但通常无法始终满足有关效率和加工速度的行业要求。另外，多种应用，例如在多层堆叠中制造盲孔或在金属箔中形成通孔，都需要特定的处理限制。例如，将精细金属掩模（FMM）用于制造OLED显示器需要精确的矩形孔形状以及定制的锥角，并最大程度地减少残留颗粒污染。最后，可实现的吞吐量决定了超短脉冲激光平台的实现。

图5. 使用如图所示的平顶光束轮廓进行钻孔的结果

▲图6. 在FMM应用中，可在Invar箔中钻制的矩形孔的锥度可控制，厚度为10μm。使用波长为515 nm（左侧）的微米级强度渐变平顶光束，可以实现额外的可调节性。

本文来源：Daniel Flamm et al, Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing, Optical Engineering (2021). DOI: 10.1117/1.OE.60.2.025105