真实效率burst，扑朔迷离GHz——脉冲串模式激光微加工能提高效率：是真的吗？

文 | 张志刚 北京大学

自从飞秒激光诞生，就有人提出用来做精密微加工。谁都知道超短脉冲（皮秒、飞秒）微细加工质量比纳秒要好，真正用于规模化生产，还是从苹果公司将皮秒脉冲用于手机面屏加工开始。可是，在皮秒脉冲加工普及的今天，飞秒脉冲加工还是没有大规模推广，为什么？因为效率低。如何既提高加工效率，又保证加工质量，就成为研究课题。

实验表明，对于平均功率50W的激光放大器，脉冲簇模式似乎有更高的效率。

这是真的吗？

是真的。计算和实验都显示，采用脉冲簇模式，脉冲簇内脉冲个数增加，材料去除率确实提高了几倍。

但是，随着脉冲能量的增加，去除效率又开始重复单脉冲的情况——过了一个高点后下降——只不过发生在不同的重复频率。所以，脉冲簇模式的优点，就是保持低脉冲簇速率而把脉冲的峰值通量带到去除效率的最佳值附近，从而避免等离子体屏蔽。 

以上说的脉冲簇模式，是指脉冲簇内的脉冲间隔是10 ns左右，或者说，重复频率是百MHz。

重点来了：GHz Burst真能提高效率吗？

实验证明，对于GHz burst，长脉冲簇加工，确实显示更高的去除效率。

遗憾的是——趋势是与其中的单个脉冲微加工完全一致，如果脉宽也相同的话。这个趋势就是，随着脉冲通量的增加，材料去除效率越过一个高峰后会随之下降。

更尖锐的问题是：如果烧蚀冷却真的存在，那也应该同样发生在纳秒脉冲身上。

针对这些疑问，那个最先推出GHz脉冲簇飞秒放大器公司的人似乎早有准备。他们回答说，那是脉冲簇中脉冲数不够多！几个脉冲哪行啊，至少要1000个脉冲！我们正在做含有3000个脉冲的脉冲簇。

好吧，在等他们含3000个脉冲的脉冲簇加工效果的档口，我们先看看目前为止的结论：

1、材料去除效率取决于脉冲的平均功率，但是平均功率的提高，无论是脉冲能量还是重复频率，均受限于等离子体屏蔽和热量积累。

2、脉冲簇模式允许减少脉冲的峰值通量，同时保持较低的脉冲簇速率，但是对例如304不锈钢材料来说，并没有显示出本质上的效率提高。

3、确实存在例外的情况，即效率的真实提高，例如对镁材料的加工。

4、GHz脉冲簇也确实因熔化喷发而显示更高的效率，但是与相近通量的纳秒脉冲的加工效率相近。