飞秒激光已经被证实在加工不同材料时，具有高精度和高质量等特点，其中玻璃是目前飞秒激光加工最多的一类材料，飞秒激光的超短脉冲特性，使其在玻璃等透明材料加工中展现出独特优势。与传统热加工方式不同，它通过非线性多光子吸收效应实现材料去除，几乎不产生热扩散，避免了玻璃因热应力导致的破裂或变形，而如何实现高精度和高吞吐量兼顾一直是超快激光加工领域的核心命题。

图1 EKSPLA 飞秒激光FemtoLux 30玻璃加工样品图。左图为在薄的硼玻璃上钻300um的阵列孔；右图为纳钙玻璃激光制备微通道。

近期飞秒激光技术的发展主要集中在解决低吞吐量的问题，为了解决该问题，EKSPLA利用FemtoLux 30的Burst 模式以及BUM加工方式相结合，极大程度上提高了飞秒激光在玻璃加工微透镜阵列上的吞吐量。

GHz+MHz Burst模式

在Burst 模式下，单个高能量脉冲被分成了多个低能量的脉冲，这样就可以更有效的利用激光功率，而且这样也可以降低能量的沉余，否则沉余部分的能量会降低加工的质量。Burst 内部的重复频率可以从MHz到GHz进行调整，确保每一个脉冲都能有效去除材料，而且通过调整Burst内部的脉冲数量，以及Burst的长度（可以到ns），可以有效的优化材料的去除效率和精度。

图2 Burst 模式示意图

图3 EKSPLA GHz Burst 飞秒激光器FemtoLux 系列

BUM加工方式

玻璃可以通过多种方式加工，最多的传统加工方式是自上而下（Top-down milling,TDM），这种一层层去除的方式，非常适合加工精细结构，但是在加工深宽比的结构上有一定局限性，而且这种方式在加工过程中烧蚀的粉尘会快速积累，影响后面材料去除。而另外一种方式就是自下而上加工（bottom-up milling,BUM）,这种方式将激光聚焦到材料的下表面。BUM这种加工方式不仅可以快速的去除材料的烧蚀物，而且可以有效的利用激光器的Burst模式，通过延迟Burst 长度，材料可以加工更大的面积，显著的提高去除量。

图4 TDM 和BUM两种加工模式示意图

微透镜阵列加工

通过结合BUM加工方式和MHz+GHz burst模式，加工的吞吐量显著的从5.17 mm3/min提高到619 mm3/min，虽然这种方式的表面粗糙度（Sa=4.3 um）相比与单脉冲TDM(Sa=191 nm)加工的粗糙度有所降低，但是极大程度上提高了吞吐量。同时这种加工也很好的证明了FemtoLux 30的多功能性，使得可以根据不同工艺要求灵活切换，高精度加工的单脉冲模式和高吞吐的粗加工Burst模式。

图5 不同加工模式下的能量密度与烧蚀率对比图

表1 不同加工模式下的烧蚀效率与烧蚀率对比表

EKSPLA 利用FemtoLux 30这款激光器，制备了微透镜阵列光学器件。微透镜面积为25×25 mm2，内部包含50个曲率半径5mm的微透镜阵列。制备过程包含多个步骤，首先从厚的熔融石英玻璃基材上加工出一个基座，利用的是BUM和Burst模式相结合的加工方式，这步加工时间仅仅只用了13 min，烧蚀率180 mm3/min。下一步利用Femtolux 30的灵活的Burst 模式，精细的调整加工参数，在基座上加工出微透镜阵列，表面粗糙度为0.5um（Sa）。最后利用CO2激光器对微透镜表面进行抛光，表面粗糙度降低到23nm。

图6 微透镜示意图

图7  利用FemtoLux 30飞秒激光器通过混合加工模式制备出的微透镜阵列

该应用证明了EKSPLA这款FemtoLux 30这款激光器的多功能性，展示了如何利用多种加工模式相结合的方式制备高精度、高吞吐量的自由曲面光学元器件。

转自：Lum光格科技

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