激光微加工技術(shù)具有非接觸、加工材料范圍廣、精度高、重復(fù)率高、熱影響區(qū)域小、形狀與尺寸加工柔性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微機(jī)械、微電子器件、醫(yī)療器械、航空精密制造等領(lǐng)域。目前，研究超短脈沖激光的微加工，大多數(shù)使用的是低功率激光（P<30W）。與低功率激光相比，高功率超短脈沖激光有更高的加工能力，但目前關(guān)于高功率超短脈沖激光材料去除加工的研究較少，特別是高于100W的激光功率。

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進(jìn)制造所張文武帶領(lǐng)的激光與智能能量場制造工程團(tuán)隊(duì)，在自主研發(fā)的開放式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，與二軸掃描振鏡結(jié)合，開發(fā)出五軸聯(lián)動(dòng)300W皮秒激光加工和40W納秒激光加工系統(tǒng)。利用300W皮秒激光加工系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)在銅、鋁、石英等材料上加工微槽，分析了不同加工參數(shù)條件對微槽寬度及深度的影響。該成果為焦俊科、阮亮、張?zhí)鞚?、張文武共同完成，并在美國底特律ASME 2014 Manufacturing Science andEngineering Conference上能量場制造論壇作為主題報(bào)告加以報(bào)道，引起與會(huì)學(xué)者廣泛興趣。

五軸聯(lián)動(dòng)高功率皮秒激光加工系統(tǒng)

　　該研究推動(dòng)了高速微納米加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。由于將微細(xì)加工的速度相對于常規(guī)系統(tǒng)提高5-10倍，又很好地控制了熱影響，結(jié)合自主研發(fā)的五軸平臺(tái)和軟件界面，為大尺度復(fù)雜形體的激光精密加工奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)條件在2-20MHz時(shí)，最大的激光功率為300W，波長為1064nm，頻率調(diào)整范圍為400KHz-20MHz。激光束反射到掃描振鏡中，聚焦光斑約為40-75um。微加工路徑由掃描振鏡控制，最大速度為10m/s。研究表明，高功率皮秒激光是一種微加工的有效工具，不同的掃描層、激光功率、掃描速度下，材料去除效率不同。研究對比了納秒激光和皮秒激光的加工效率，發(fā)現(xiàn)皮秒激光要高于納秒激光的加工效率，如圖所示，皮秒激光的單位能量的材料去除率在一定深度范圍內(nèi)是對比納秒激光的兩倍以上。團(tuán)隊(duì)利用共聚焦顯微鏡對微槽加工結(jié)果進(jìn)行精確測量。測量精度XY方向達(dá)到140納米以下，Z向達(dá)到小于10納米。溝槽的粗糙度、加工的三維形狀和去除體積得以高可靠性測量。

皮秒激光與納秒激光加工材料去除效率對比

　　論文進(jìn)一步揭示了激光脈沖能量、平均功率等對材料去除率的影響，并指出單脈沖能量與加工的深度能力密切相關(guān)。超短脈沖激光器的深度能力適合于小于3毫米的微細(xì)加工，高效率的大深度微細(xì)加工需要進(jìn)一步的工藝突破。團(tuán)隊(duì)下一步將探索水助激光加工，進(jìn)一步提高脈沖激光的加工深度能力。

共聚焦激光掃描顯微鏡測試的微槽尺寸