众所周知，皮秒脉冲激光在广泛的工业微机械加工应用中具有很多优势。特别是，它几乎没有热影响区，可以处理广泛的材料，甚至是那些在可见光和近红外区透明的材料。然而，在早期，皮秒激光器并不具备必要的可靠性，运行成本低，在许多生产环境中缺乏实际应用的实用参数。现在新一代的工业皮秒激光器可以实现这项技术的优势。本文讨论了纳秒和皮秒激光加工的主要区别，并介绍了目前可用的皮秒激光源的基本结构及其在工业中的典型应用。秒Vs纳秒微加工通常针对微米级的加工要求，如孔和槽，同时避免对周围材料的热损伤。换句话说，微加工的目的是获得精细和干净的切口，并且热影响区(HAZ)最小。使用激光进行精密钻孔、划线或切割有两种基本机制。许多传统应用主要依靠红外和可见光调Q激光器，其脉冲宽度在几十纳秒范围内，通过光热效应去除材料(见图1)。在这种情况下，聚焦的激光束是一个封闭的高强度热源，它将快速加热靶材料，并最终将其蒸发。这种方法的优点是可以快速去除相对大量的目标材料(特别是Q开关激光器通常工作在几千赫兹的重复频率)。此外，众所周知，纳秒激光技术具有良好的技术基础、高度可靠的来源和有吸引力的操作成本。然而，对于最苛刻的加工任务，在热影响区的尺寸、经常产生的重铸材料或表面涂层的分层开裂方面仍有一些限制。激光材料去除的第二种机制是基于光化学烧蚀(图1)。在这种情况下，激光光子直接破坏目标材料的结合键。这是一个相对“冷”的过程，所以热影响区很小。另外整个加工过程非常干净，没有重铸材料，很少需要后期再加工。紫外(UV)激光光子的高能量意味着它们可以驱动许多材料中的光化学烧蚀。因此，紫外调Q激光通过光化学烧蚀去除材料。然而，实现完全光化学消融的另一种方式是使用皮秒或更短的脉冲。这些超短脉冲具有非常高的瞬时峰值功率(MW及以上)，其高能量密度使其能够激发材料中的电子，并通过多光子吸收直接破坏原子键(图2)。另外，由于脉冲宽度比加工材料的热扩散率短，残余热效应产生的热量大部分会被带走，来不及扩散，所以基本不会产生热影响区。除了NEXT在加工过程中基本没有热影响区之外，超快加工的另一个主要优点是适用于多种材料，包括几种宽带隙材料(如玻璃和一些聚合物)。这种材料的线性吸收和光吸收都很低，所以很难用现有的商用激光器来处理。具体来说，即使这些材料通常在激光波长范围内是透射性的，这种“波长不可知”的技术也会引起非线性吸收。目前市场上的皮秒激光器通常从红外到紫外。总的来说，紫外鞘秒激光器在高精度和最小热影响区方面性能最好。这是因为它们基本上都是光化学烧蚀，可以聚焦到最小的光斑尺寸(通过衍射)。另一方面，红外和可见光皮秒激光器通常提供更高的输出功率，从而导致更高的处理速度。皮秒激光器架构虽然目前市场上的工业超快激光器形式和结构多种多样，但基本配置都是一样的。具体来说，通过被动锁模振荡输出10皮秒以下的脉冲，这是驱动光化学烧蚀的必要条件。然而，大多数锁模振荡器产生的脉冲能量相对较低，重复频率为几十兆赫。
这种过高的重复频率是现有的扫描技术无法处理的，所以用脉冲选择器提取这些脉冲的一小部分，然后用放大器放大这些脉冲的能量，再进行最后的输出。大多数商业皮秒产品基于以下架构之一：光纤振荡器加光纤或棒光纤放大器、光纤振荡器加自由空间放大器、二极管泵浦固态振荡器加自由空间放大器。全光纤振荡器加放大器方案的优点是成本相对较低。缺点是光纤放大器中的非线性、散射等一些效应限制了单位脉冲能量的最大值，为10j(10皮秒脉冲时)。因此，获得高平均功率的唯一方法是增加重复频率，而这种方法在束流传导系统中遇到了困难，因为大多数束流偏转机构，如振镜扫描，速度不够快，无法避免单个脉冲重叠在工件表面上。比如直径为50 m的焦斑，脉冲重复频率为1MHz，扫描速度需要达到50m/s才能避免脉冲重叠，这是很少能达到的。结果，处理速度受到限制。为了实现大多数应用所需的更高脉冲能量，可以使用光纤振荡器来匹配自由空间放大器。比如Coherent公司的Talisker激光器就是用这种方法。由于种子源的输出能量比较低，所以需要使用再生放大器。在再生放大器中，脉冲被极大地放大，而光束的性能和质量得到很好的保持。通过这种设计，Talisker激光器可以提供180 J的脉冲能量(在1064nm和200kHz)。第三种方法是使用半导体泵浦的固态振荡器，可以产生更高的脉冲能量。然后是自由空间放大器，一般是再生放大器或者多级放大器。事实上，可以使用多个放大器级将功率提升到更高水平。例如，Coherent公司在2012年收购Lumera激光器后，在Nd:YVO4种子源后增加了一个或多个放大器，使Lumera激光器的脉冲能量高达2。
00µJ(在1064nm)。表1总结了灵活的模块化体系结构分别使用一级、两级或三级放大器后可以获得的最大平均功率。这一产品使用了瞬态多级放大器，这是因为它在这种情况下具有多个优势。尤其是与再生放大器相比，瞬态放大器能提供更高的重复频率，并且能更灵活地调整重复频率(在这种情况下包括从单脉冲至2兆赫）。
瞬态放大器结构的另一个极为重要的优势是，它支持“脉冲串模式”操作，即脉冲选择器可以传递一串连续脉冲(通常可达10个），而不只是单脉冲。这一整串脉冲可以在后续阶段被放大。
这一模式的优点是，在某些情况下，它可以大大提高某一平均激光功率下的烧蚀率（每单位时间去除材料的量）。例如，实验表明，重复频率为1MH时，当一串5个脉冲通过放大器时，与单个脉冲相比，前者可以增加5～10倍烧蚀率。每种情况下产生的平均功率是类似的，而且实际上，脉冲串模式下的每脉冲能量较低（因为放大器增益被分配到几个脉冲中)。然而，当脉冲的间距较小时，烧蚀率并不线性地取决于脉冲能量。
烧蚀率的确切机制仍在研究中，但目前有一些新兴的受到推崇的理论。它认为，在脉冲之间只有20纳秒左右间隔时，材料没有时间放松，仍然会处于“预处理”状态，这就使得脉冲串中随后的脉冲可以实现更大的材料去除，尽管能量较低。
该模式可以极大地开辟超快微加工的参数空间。事实证明它在那些有自由电子的材料上能发挥最大的作用，例如钢、硬质合金和硅等材料。而对于包括陶瓷和玻璃在内的那些介质材料，它的优势很小，甚至基本没有。
可靠的工业皮秒激光器
