超快激光器在消费电子产品加工的应用
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如今，超快激光器（飞秒和皮秒脉宽）是工业生产过程中的一个重要组成部分。凭借其高质量的非热材料加工能力，再加上在激光技术、工艺开发、光束控制和传输等方面的进步，从而进一步扩大了超快激光器在工业市场上的应用范围。不过，为了维持投入和产出的平衡，必须同时满足以下条件：首先必需证明其在工业加工过程中的技术可行性，由于超快激光和物质之间的相互作用具有独特性，因而需要对这一过程有一个精细的科学的理解；其次，工业生产的生产率必须确保能给终端用户带来与其投资相匹配的收益，这势必推动在光束控制和传输方面的进步，以充分利用潜在的加工速度。
消费电子产品领域显然提供了最多的证据。手机、微处理器、显示器、内存芯片都是极其复杂的组件，由大量的不同材料、尺寸很小、厚度极小的多层材料组成。因而需要先进的、高精密度的加工能力，以及在经济上可行的大批量生产的能力。下面举例说明为什么我们需要同步发展加工、激光技术以及新的光束传输技术，来满足目前以及未来可能出现的挑战。
制造手机、平板电脑或电视用的平板显示器是如今最复杂的技术之一，困难程度类似或更甚于二十世纪六十年代的阿波罗计划。不同的生产步骤涉及了大量不同的材料，它们具有微米级的横向分辨率和数十纳米的厚度。由于整个过程都很有难度，将工业生产率（能通过严格的质量检测的产品比例）视为一项机密和挑战也就不足为奇了。一个关键的限制是坏点在面板上的存在，这将阻碍屏幕的商业化。在过去几年中开发了几种不同的修复工艺，通常都涉及多波长纳秒激光器。例如，通过激光碳化或者切割控制像素的薄膜晶体管的电极，来修复一个亮的像素（图1）。
图1：薄膜晶体管电极切割，切割宽度为1.9μm。
当前的技术已经达到极限。因为在高清屏幕的分辨率方面的进步，像素的尺寸变得越来越小，与之相关的纳秒激光器加工的热效应限制了修复的质量。此外，包括有机发光二极管（OLED）和有源矩阵发光二极管（AMOLED）在内的新的显示技术广泛使用了有机和高分子材料，这些材料对加热高度敏感，因而与热处理格格不入。由于脉冲持续时间非常短，所以超快激光实际上很适合非热微加工，也不会产生热。它们在先进的屏幕修复加工领域的应用日益扩大，从而推动了新一代紧凑的高速多波长超快激光器的发展。
一些工业加工过程已经开始利用高精度的超快激光加工。这包括选择性烧蚀（通常可以实现精确到30nm/脉冲的烧蚀率），以及高精度薄膜晶体管电极切割，切割宽度小于2μm。这些加工过程需要开发先进灵活的光束整形技术，以获得平顶光束并确保其均匀传输，并能塑形成样品的形状，尺寸低至2×2μm。
在另外一个例子中，半导体电路变得越来越复杂，它们要求在更小的尺寸上集成更多的功能。因此，现在的晶片是由许多层的多种材料组成，例如适用于快速运行的低介电常数材料。半导体制造业中的一个重要的过程就是晶圆的划切和分离，即将一个晶圆切割成单独的晶片（如图2）。传统上来说是用金刚石锯的加工方法，但是目前的技术已经达到了极限。由于低介电常数材料的脆性、较低的厚度和较多的层数，发生裂纹和分层剥离等负面影响的几率不断升高。
图2：半导体晶圆切割和划片。
尽管紫外纳秒激光加工的使用获得推动，但是纳秒激光加工带来的热效应仍然大大限制了加工结果的质量。另一方面，超快激光展示出在加工硅和高质量多层材料方面的能力。直到最近，超快激光在平均功率方面的限制仍然是一个主要的问题，这严重限制了总的生产效率。如今具备高可靠性的工业级飞秒激光器的功率在50-100W之间，这使其生产能力可以与工业要求相匹配。
高功率、高可靠性激光系统的出现使得激光加工以及质量控制大幅提升。更具体地说，平均功率在50到200W的超快激光器能够提高生产效率和生产力，从而扩大其在新领域的应用。然而，如此高功率激光的光束控制和传输却并不容易。要想保本盈利，则需要加工速度达到100m/s，同时保持微米级的定位精度。当前一代的振镜扫描器已经达到了极限，亟待新方法的产生。
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