據(jù)理論從原理上進(jìn)行分析和闡述。在這里，我們指的飛秒激光是指脈寬為1-1000 fs（1 fs=10-15s）的激光，其它激光是指脈寬大于1000 fs（1 ps）的脈沖激光或連續(xù)激光。

激光加工過(guò)程中需要考慮激光的波長(zhǎng)、能量（或功率）、脈寬、頻譜、脈沖頻率、偏振、相位等因素，同時(shí)還要考慮聚焦系統(tǒng)以及掃描速度和方向，被加工對(duì)象物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)，甚至是物質(zhì)所處的環(huán)境條件如溫度和氣氛。脈寬是其中一個(gè)非常重要的具有普遍影響的激光參數(shù)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，下面的討論假設(shè)其它條件基本相近（其實(shí)這個(gè)條件很難成立），只是脈寬不同的情形。飛秒激光也主要是指現(xiàn)在用得最多的鈦寶石以及Yb3+摻雜晶體和光纖激光器為主，波長(zhǎng)在1 μm附近的近紅外的飛秒激光。

飛秒激光系統(tǒng)很貴

飛秒激光現(xiàn)在已開(kāi)始用于切割、鉆孔、焊接、打標(biāo)、剝離、修復(fù)等加工領(lǐng)域，但應(yīng)用還不是很普遍。一方面是很多情形其它激光也用得很好，另一方面是飛秒激光很貴。飛秒激光的價(jià)格比長(zhǎng)脈沖激光和連續(xù)激光要貴很多。其它參數(shù)相近的飛秒和皮秒激光有時(shí)也會(huì)相差幾十萬(wàn)元。

飛秒激光貴的原因主要有：

1）根據(jù)傅里葉變化關(guān)系，要產(chǎn)生超短飛秒脈沖必須具有寬光譜的增益介質(zhì)，譬如鈦寶石。增益介質(zhì)的帶寬決定了最終能實(shí)現(xiàn)的脈寬。所以用作飛秒激光增益介質(zhì)的要求會(huì)高一些，現(xiàn)在主要是鈦寶石，部分Yb3+摻雜晶體和玻璃光纖；

2）飛秒激光脈沖一般需要通過(guò)鎖膜技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，用來(lái)加工的大脈沖能量的飛秒脈沖還需要進(jìn)一步將低脈沖能量的飛秒脈沖通過(guò)脈沖展寬-放大-壓縮的再生放大技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，飛秒激光系統(tǒng)要用到加工精細(xì)的啁啾鏡等光學(xué)元器件以及高功率抽運(yùn)源，激光系統(tǒng)比較復(fù)雜。

飛秒激光特性很好

飛秒加工有不少優(yōu)勢(shì)，首先體現(xiàn)在精度高，其基于多光子吸收的特征和閾值效應(yīng)以及加工過(guò)程中熱效應(yīng)可以忽略（也就是通常強(qiáng)調(diào)的冷加工）。這里應(yīng)該注意，這是指單脈沖或脈沖頻率比較低的情形，另外也只是相對(duì)而言，這里忽略了激光波長(zhǎng)以及對(duì)象物質(zhì)的特征等。

原理上，飛秒激光由于其脈寬很短，較低的脈沖能量就可以獲得極高的峰值功率（脈沖能量/脈寬），當(dāng)用物鏡等進(jìn)一步聚焦到材料時(shí)，由于焦點(diǎn)附近能量密度很高，能引起各種強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)。

激光加工可以認(rèn)為是一種激光誘導(dǎo)反應(yīng)，原理上分為誘導(dǎo)分子振動(dòng)和電子激發(fā)。前者是熱反應(yīng)，后者與構(gòu)成物質(zhì)的原子外殼層電子關(guān)聯(lián)的化學(xué)鍵相作用。考慮物質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)，一般長(zhǎng)波長(zhǎng)激光如CO2激光利用的是分子振動(dòng)導(dǎo)致的熱反應(yīng)，短波長(zhǎng)激光如準(zhǔn)分子激光利用的是電子激發(fā)產(chǎn)生的化學(xué)鍵的切斷。

近紅外飛秒激光加工通過(guò)多光子過(guò)程，也就是說(shuō)雖然材料在激光波長(zhǎng)(λ)沒(méi)有線性吸收，但焦點(diǎn)附近的光強(qiáng)很高，通過(guò)同時(shí)吸收多個(gè)（n）光子，起到了將短波長(zhǎng)(λ/n)的光拿到材料內(nèi)部去照材料所產(chǎn)生的同樣效果，實(shí)現(xiàn)有空間選擇性的微觀結(jié)構(gòu)操控，而不影響表面結(jié)構(gòu)，這是飛秒激光加工的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

因?yàn)槎喾N非線性過(guò)程競(jìng)相參與，所產(chǎn)生的現(xiàn)象往往超過(guò)我們的預(yù)測(cè)和想像。飛秒激光與材料相互作用時(shí)，在此我們考慮在激光波長(zhǎng)沒(méi)有線性吸收的介質(zhì)，首先是通過(guò)多光子吸收或電離等過(guò)程，激光能量沉積在電子體系中，進(jìn)而通過(guò)一系列的能量傳遞和輸送過(guò)程，導(dǎo)致材料的一系列變化。一般情況下，在激光輻照下，電子吸收光子被激發(fā)的時(shí)間在fs范圍（脈沖作用過(guò)程中），隨后發(fā)生電子-聲子耦合，能量傳遞至晶格與晶格達(dá)到熱平衡的時(shí)間在幾個(gè)到幾十ps量級(jí)。熱擴(kuò)散、材料熔融的時(shí)間尺度隨著材料的不同而有所區(qū)別，基本在幾十到幾百ps的時(shí)間量級(jí)。材料表面燒蝕形成的時(shí)間為幾百ps到ns不等。

在納秒及皮秒激光作用下，電子氣中沉積的激光能量在激光脈沖照射材料的時(shí)間內(nèi)就傳給晶格，從而引起材料的加熱、熔化甚至燒蝕，過(guò)程中熱效應(yīng)的作用明顯。而飛秒激光的脈沖寬度小于電子-聲子相互作用的時(shí)間尺度，電子氣中沉積的激光能量來(lái)不及傳給離子激光脈沖輻照就已經(jīng)結(jié)束了。此時(shí)電子氣的溫度非常高，而離子的溫度卻很低，材料發(fā)生的是“冷”燒蝕過(guò)程，抑制了流體力學(xué)效應(yīng)、熱學(xué)效應(yīng)等，加工的精度很高。已有不少工作比較了脈寬對(duì)激光加工的影響。從圖1可以看出飛秒脈沖加工結(jié)構(gòu)比較陡峭而干凈，皮秒和納秒激光存在熱效應(yīng)產(chǎn)生的隆起和殘余。正是由于飛秒激光的高精度和“冷加工”特性，它可以廣泛應(yīng)用于微電子、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，也應(yīng)用于醫(yī)療，如近視眼矯正、腦科手術(shù)等。

圖1 不同脈寬激光在100 μm厚的不銹鋼薄片上打孔的效果,左：80 ps 中：3.3 ns 右：200 fs