在現(xiàn)代制造業(yè)中，激光加工技術(shù)已經(jīng)成為一種重要的加工手段，尤其是超快激光加工技術(shù)，以其高精度和高效率而受到廣泛關(guān)注。本文將深入探討超快激光加工的概念、特點(diǎn)和應(yīng)用，幫助您全面了解這一前沿技術(shù)。
一、什么是超快激光加工？
超快激光加工是指使用脈沖持續(xù)時間在皮秒（10^-12秒）至飛秒（10^-15秒）級別的激光，進(jìn)行材料加工的一種技術(shù)。與傳統(tǒng)激光加工相比，超快激光加工能夠?qū)崿F(xiàn)更高的加工精度和更小的熱影響區(qū)，從而減少材料的熱變形和損傷。
二、超快激光的特點(diǎn)
激光按照出光時間長短，可分為四類：連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)、短脈沖和超短脈沖。"超快激光"則代表其輸出的激光脈寬達(dá)到10-12s的皮秒級別，或更小的皮秒級別的脈沖激光。長度在幾十到1納秒之間的脈沖，我們稱呼它們?yōu)閬喖{秒激光。超快激光獨(dú)特之處在于能在熱擴(kuò)散發(fā)生前將能量傳輸至材料中，加工產(chǎn)生的熱損害很小，所以被譽(yù)為"冷加工"工藝。對比長脈沖激光器，超短脈沖激光器在多光子電離和電子到晶格的能量轉(zhuǎn)移方面表現(xiàn)出色，在精密微細(xì)加工領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。
三、超快激光加工的應(yīng)用
（1）超快激光在增材制造中的應(yīng)用
增材制造(AM)已經(jīng)成為了制造任意幾何形狀物體的關(guān)鍵技術(shù)。而將超快激光運(yùn)用到增材制造中，使得難加工材料、透明材料以及微米和納米制造的新一代制造技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。
雙光子聚合（2PP）是一種微納3D打印技術(shù)，它通過飛秒脈沖激光選擇性固化感光樹脂，類似于光固化快速成型，但2PP 3D打印技術(shù)能以幾百納米的分辨率生產(chǎn)復(fù)雜的三維（3D）結(jié)構(gòu)，精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光固化成型技術(shù)。奧地利學(xué)者Aleksandr Ovsianikov就曾使用雙光子聚合技術(shù)設(shè)計并合成了一種含有六官能氨基甲酸酯基遙爪聚己內(nèi)酯（PCL）的材料，這種材料能滿足生物醫(yī)學(xué)微支架制造的需求，在組織工程領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
（2）超快激光在切割中的應(yīng)用
心臟支架壁管非常薄，傳統(tǒng)的機(jī)械切割難以勝任，而激光加工卻能輕松應(yīng)對。然而，普通激光燒蝕融化加工容易導(dǎo)致毛刺多、切槽寬度不均、表面燒蝕嚴(yán)重、筋寬不均等問題。而超快激光對血管支架的切割加工，既能獲得高質(zhì)量的切割平面，又能確保切割面熱影響區(qū)小、切縫精準(zhǔn)、表面光滑。
此外，針對傳統(tǒng)金屬支架存在的問題，研究人員開始轉(zhuǎn)向生物可降解聚合物血管支架的研發(fā)。高分子聚合物是常用的非金屬可降解支架材料。Stolberg等人為了解決材料熱效應(yīng)敏感的問題，利用飛秒激光結(jié)合多重消融加工的方法，成功切割出方形PLLA薄片，有效控制了熱影響區(qū)。
（3）超快激光在微焊接中的應(yīng)用
超短脈沖激光在透明固體介質(zhì)中傳播時，會引發(fā)非線性吸收、熔化損傷、等離子體形成、燒蝕、光絲傳播等多種現(xiàn)象。超快激光玻璃微焊接技術(shù)正是基于此原理，通過讓異種材料在結(jié)合界面微小尺度范圍內(nèi)等離子體化后再重構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接。例如，Octav P. Ciuca等科學(xué)家就成功使用皮秒激光實(shí)現(xiàn)了鋁與玻璃的微焊接，這也是金屬與玻璃間微焊接的一項(xiàng)重大突破。
（4）超快激光制造表面微結(jié)構(gòu)
盡管傳統(tǒng)表面處理可提升材料表面生物活性，但操作較為繁瑣，改性后性能穩(wěn)定性不佳。而激光微加工則簡便易行，能夠在植入物表面構(gòu)建微觀三維立體結(jié)構(gòu)，且改性后性能穩(wěn)定，對基體影響較小。例如，王瑞等人研究了超快激光加工技術(shù)在Ti6Al4V合金表面改性的應(yīng)用，通過飛秒激光在已打磨光滑的鈦合金表面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)加工。結(jié)果顯示，經(jīng)過激光加工改性的鈦合金表面生物相容性得到顯著提升，有助于細(xì)胞生長及種植體與骨骼的融合。
隨著微加工技術(shù)所能達(dá)到的最小特征尺寸逐漸縮小，如何進(jìn)一步提升加工精度和質(zhì)量成為了亟待解決的問題。超快激光加工技術(shù)在微加工領(lǐng)域的出色表現(xiàn)，正吸引著越來越多的行業(yè)專家和學(xué)者的關(guān)注。隨著制造業(yè)的繁榮發(fā)展和對高性能材料需求的日益增長，加工方法也將隨之迅速發(fā)展。
