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本文引用自《科仪新知》第二十九卷，作者郑中纬先生为国立成功大学机械工程博士，现任工业技术研究院南分院雷射应用科技中心经理。
为解决长脉冲雷射因脉冲时间过长，材料加工时会产生显著热效应及影响精度问题，国际研究单位已积极投入飞秒雷射之加工技术开发。目前飞秒雷射囿於产能，不易成为量产制程设备，但国际研究方向为开发高精度、高速度之飞秒雷射加工技术，以解决现有技术瓶颈。本文主要针对飞秒雷射之材料加工机制作介绍，并说明飞秒雷射在透明介质材料内部、金属材料及透明导电薄膜之微细加工的应用。
一、前言
随著钛蓝宝石 (Ti:sapphire) 飞秒雷射技术的日趋成熟及商品化，飞秒雷射从 1990 年代开始应用於材料加工。飞秒雷射是指雷射脉冲宽度在飞秒 (femtosecond, fs = 10–15s) 数量级，雷射光束透过聚焦可产生极高功率密度，例如脉冲宽度为 120 fs 的飞秒雷射，1 mJ 的脉冲能量就可以在聚焦光斑直径为 20 µm 的焦点上，单一脉冲产生约 2.7≡10(15次方) W/cm2 的功率密度。如此高的功率密度可以使雷射与材料的交互作用过程产生各种非线性光学效应，使得飞秒雷射加工机制有别於连续或奈秒雷射，可在材料表面及透明材料内部实现极低热效应及突破光学绕射极限的超精密加工。
1995 年开始有研究发表应用於金属材料的削除 (ablation)，可制作次微米的孔洞，直径约为聚焦光斑的十分之一，发现热影响区极小，以及加工机制与长脉冲雷射不同(1)。1996 年则首先有两篇文献应用於透明材料内部加工，透过显微物镜将飞秒雷射直接聚焦在玻璃内部，可改变材料折射系数或制作光波导(2, 3)。飞秒雷射除了进行材料的削除或改质外，可也透过非线性多光子聚合 (multi-photo polymerization)，使得聚焦区域的聚合材料由液体变成固体，可应用於制作形状特徵小於光学绕射极限的三维微奈米结构(4)。
由於飞秒雷射进行材料加工具有热影响区极小、加工特徵可小於光学绕射极限及透明材料内部加工等特点，已被公认为相当重要课题，并吸引国际上重要研究单位投入飞秒雷射微加工技术开发。这些研究采用的飞秒雷射源，主要是再生放大钛蓝宝石飞秒雷射。此雷射的振荡器采用钛蓝宝石为增益介质，透过再生放大 (regenerative amplifier)，可产生中心波长 800 nm、脉冲能量约 mJ、重复频率约 kHz 的雷射光束。虽然被验证可以达到较佳品质加工，但受限於低重复频率及雷射系统复杂，使得实际应用受到限制。近年则有商品化飞秒光纤雷射推出，其为脉冲能量约 µJ、重复频率约 MHz 的雷射光束。虽然脉冲能量较低，但只要聚焦后雷射剂量足以进行材料加工，则在高重复频率下，将可同时提高加工速度及精度，有机会符合业界高产能需求。
二、飞秒雷射之材料加工机制
在不同雷射脉冲宽度照射下，材料若产生能量吸收，主要有线性 (单光子) 及非线性 (多光子) 吸收两种型式，分别说明如下。
1. 线性吸收
所谓线性吸收，以非金属材料为例，当入射光子能量大於能隙 (Eg) 时，则原子中的电子就可以吸收光子能量，由价带跃迁至导带，如图 1(a) 所示。透过线性吸收，单光子能量可以造成材料直接被离子化，以电浆云形式从材料表面喷出，被去除的材料并未历经高温熔解和汽化等过程，因此热效应低，一般将此过程称为光化学 (photo-chemical)削除。在长脉冲短波长雷射照射下，例如紫外光波长的准分子雷射或倍频固态雷射，可提供约 4.5－7 eV 的光子能量，针对低能隙材料，如高分子或半导体，材料移除机制以光化学为主，因此可以达到精密加工。但在长脉冲长波长雷射照射下，例如红外波长的固态雷射，由於入射光子能量小於能隙，无法使电子产生跃迁，此时材料移除机制主要为光热 (photo-thermal) 加工。以光子能量加热材料，被去除的材料必须经过固态、液态和气态的转换，在熔解过程中材料会形成熔融区，因此产生过大热影响区而影响加工精度。针对金属材料，虽然原本在导带就有自由电子可以吸收雷射能量，但在长脉冲雷射照射下，由於金属的高热传导性，被吸收能量会往聚焦区域四周扩散而产生较大热影响区，并使周围材料产生融化现象。一般热扩散长度可近似为l~ (D-ꭓ )1/2，其中 D 为热扩散系数、-ꭓL 为雷射脉冲宽度。大多数金属材料 D 值介於 0.1－1 cm2/s 之间，若透过脉冲宽度 10 ns 的奈秒雷射进行加工，产生的热扩散长度约0.1－1µm。
所谓非线性吸收，需在高功率密度照射下才可以产生，例如大於 1013 W/cm2，此时材料对能量吸收与雷射功率密度的 n 次方呈非线性关系，其中 n为被吸收的光子数。因此超短脉冲雷射，如飞秒雷射才有机会产生非线性吸收，对於长脉冲雷射，无法产生非线性吸收。在飞秒雷射照射下，虽然单光子能量小於材料能隙，但电子仍可以透过非线性吸收而产生跃迁，过程主要有光离子化 (photo- ionization) 及崩落离子化 (avalanche ionization)(5)，如图 1(b) 所示。在光离子化过程，当电子吸收 n个光子能量，使总吸收能量大於能隙时，nhc/入 Eg，则同样可以由价带跃迁至导带，而形成自由电子。在崩落离子化过程，导带中的自由电子可吸收多个光子而跃迁到更高能阶，可以撞击周围的原子而产生另外的电子，透过持续的吸收和撞击，使导带中的自由电子密度快速成长，当自由电子密度达到临界值 (约 1021 cm–3) 时，聚焦区域的材料将以电浆云形式从材料表面喷出，并几乎带走原本照射产生的热量，使得加工区域温度迅速降低，过程中没有热融化现象。要产生崩落离子化，导带中必须有自由电子存在。针对介质材料，可以在雷射脉冲上升缘期间，透过光离子化机制，使得导带中产生种子自由电子，在雷射脉冲停止前可以产生崩落离子化。
金属材料则不同於介质，它原本在导带就有足够自由电子可以吸收雷射能量。在飞秒雷射照射下，材料中的自由电子会先吸收光子能量，并迅速转为电子热能，此段作用时间约 fs 数量级，远小於电子热能传递至晶格所需时间 (约 ps 数量级)。因此在雷射脉冲停止时，电子会被加热到高温，但晶格仍保持低温，两者温度为非热平衡状态，如图2所示。电子传递至晶格的热能，将使材料表面产生削除。透过两个温度热扩散模型，可以求得每个雷射脉冲削除深度可近似为(6)其中8为光穿透深度，l 为有效热穿透深度，Fα为材料吸收的雷射剂量，F8、Fl 为雷射剂量阀值。
在不同飞秒雷射剂量照射下，(1)－(2) 两式将可决定金属材料的削除速率。剥除深度在低雷射剂量区间 (接近削除剂量阀值)，主要受光穿透深度影响，但在高雷射剂量区间，主要受有效热穿透深度影响。在低雷射剂量区间，材料削除边缘未发现热融化层，但在高雷射剂量区间将产生热效应，使得加工精度降低。虽然飞秒雷射加工在高雷射剂量产生与长脉冲雷射类似之热效应现象，但两者在材料移除速率还是有所差异(7)。透过长脉冲雷射加工通常会产生电浆云遮罩，之后照射的雷射脉冲会被电浆云吸收及反射，使得雷射能量无法有效照射到材料，因而降低材料移除速度。但对於飞秒雷射而言，电浆喷出时间约在雷射照射后的 1－10 ps 之间形成，此时飞秒雷射脉冲已经停止，材料移除速度较不受此现象影响，因此在深孔成形上被验证加工精度优於长脉冲雷射。
针对半导体材料，如矽的能隙约 1.14 eV，而钛蓝宝石飞秒雷射产生的单光子能量约 1.55 eV (中心波长 800 nm)，因此单光子吸收过程就可以激发电子由价带跃迁至导带。透过飞秒雷射加工矽材料，包含线性及非线性吸收两个机制，如下式所示：
其中 n(t) 为自由电子密度，I(t) 为雷射照射强度，α为线性吸收系数，为双光子吸收系数。当脉冲功率密度为 1012 W/cm2 时，约是α的 15 倍，因此在飞秒雷射的高强度照射下，半导体材料的加工机制以非线性吸收为主。
三、飞秒雷射之材料微细加工的应用
1. 飞秒雷射应用於透明介质材料内部加工
飞秒雷射应用於玻璃、石英、晶体等透明材料内部加工，主要将雷射光束直接聚焦於材料内部，使此局部区域具有高的脉冲功率密度，而产生非线性吸收，其他区域一方面因为材料的透明性，使得线性吸收可以忽略，另一方面则因为脉冲功率密度较低，而无法产生非线性吸收。由於只有聚焦区域进行材料加工，在其他区域并没有产生破坏，配合扫描机制，可使此技术具有三维加工能力，可应用於光波导、光耦合、光储存及微流道制作。但与材料削除不同的是，照射的雷射能量不会被带走，因此产生与削除不同的材料破坏行为，这部分国际学者仍持续研究中，目前归纳主要有三种不同机制来描述此现象，包括等向 (isotropic) 折射率改变(8)、双折射 (birefringent) 率改变(9) 及空洞 (void) 的产生 (10)，如图 3 所示。
当聚焦的雷射剂量低於材料的削除阀值时，透过多光子吸收，可使聚焦区域的介质融化及快速再固化，如图 3(a) 所示，并产生折射率变化，此机制可应用於制作光波导。在适中能量照射下会产生周期性奈米结构，如图 3(b) 所示，推测因为干涉现象导致结构特徵周期性改变。当聚焦的雷射剂量高於材料的削除阀值时，聚焦区域将会由多光子吸收和崩落离子化产生微爆炸，使这些材料往聚焦区域周围移动，而产生微米扩张现象，如图 3(c) 所示，产生的空洞可以应用於光学储存。
图 5 为改变不同雷射重复频率，在钠钙玻璃 (soda lime glass) 内制作光波导，照射次数与波导直径之关系图(11)，可以观察到当雷射重复频率 < 1 Mz时，在同一加工点照射次数增加时，波导直径变化不大。此部分机制如前面介绍，主要透过非线性吸收，使聚焦区域产生折射系数改变，由於相邻雷射脉冲时间大於一般玻璃材料热扩散时间，所以不会产生热累积效应。但当雷射重复频率 <1 Mz 时，可以观察到在同一加工点照射次数加大时，波导直径明显增加。此现象是因为在高脉冲频率下，热累积效应所造成。但此效应使得雷射聚焦区间热扩散呈现放射状，制作的光波导截面极为对称，可降低光传输损失。
2. 飞秒雷射应用於金属材料削除
一般金属材料，在雷射照射后将热能传递出去到冷却的时间约 ps 数量级，即使透过高重复频率 (MHz 数量级) 之飞秒雷射进行加工，相邻脉冲时间小於 µs，此时间通常大於金属材料冷却时间。因为热冷却时间很短，材料在相邻雷射脉冲间可以快速冷却，不易出现热累积效应。图 6 为透过飞秒雷射针对 Ti6Al4V 钛合金进行加工，不同雷射剂量下的加工结果图(12)。由图 6(b) 可以得知，当照射雷射剂量过高时，会在加工区域周围发现热融化现象。主要是因为金属材料移除在高雷射剂量照射时，材料移除主要受热穿透深度影响，会产生显著热效应。此实验验证利用飞秒雷射加工金属材料，若要达到较佳的加工精度，则雷射剂量不可远超过此材料的削除剂量阀值。
3. 飞秒雷射应用於透明导电薄膜加工
利用高重复频率飞秒光纤雷射进行氧化铟锡 (ITO) 透明导电薄膜之图案加工，在不同雷射能量照射下，可以得到不同图案线宽，如图 7 所示。利用飞秒雷射结晶机制，基於明确之材料结晶剂量阀值 Fth，透过控制雷射剂量 F，使光轴附近区域剂量高於 Fth，则可制作小於聚焦光斑之多晶图案，如图 8 中线宽 D。
四、结论
使用飞秒雷射针对金属、半导体、透明介质和有机组织等材料作加工，已被验证能达到传统雷射所不能达到的高品质加工。随著美国、德国、日本等国家相继投入飞秒雷射国家重点研究计画，飞秒雷射与材料之交互作用机制也逐渐明朗化，但受限於放大型飞秒雷射低重复频率及系统复杂，实际业界应用还是受到限制。透过近几年商品化的飞秒光纤雷射，雷射源系统简单及雷射脉冲频率高，有机会实现高速及高精度加工，使得飞秒雷射微细加工技术受到瞩目，并预期能够应用於业界制程。
参考文献
1. P. P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, and G. Mourou, Optics Communications, 114, 106 (1995).
2. K. M. Davis, K. Miura, N. Sugimoto, and K. Hirao, Optics Letters, 21, 1729 (1996).
3. E. N. Glezer, M. Milosavljevic, L. Huang, R. J. Finlay, T. H. Her, J. P. Callan, and E. Mazur, Optics Letters, 21, 2023 (1996).
4. S. Kawata, H. B. Sun, T. Tanaka, and K. Takada, Nature, 412, 697 (2001).
5. C. B. Schaffer , A. Brodeur, and E. Mazur, Measurement Science and Technology, 12, 1784 (2001).
6. S. Nolte, C. Momma, H. Jacobs, A. Tunnermann, B. N. Chichkov, B. Wellegehausen, and H. Welling, Journal of the Optical Society of America B-Optical Physics, 14, 2716 (1997).
7. C. Momma, B. N. Chichkov, S. Nolte, F. vonAlvensleben, A. Tunnermann, H. Welling, and B. Wellegehausen, Optics Communications, 129, 134 (1996).
8. K. Miura, J. R. Qiu, H. Inouye, T. Mitsuyu, and K. Hirao,
Applied Physics Letters, 71, 3329 (1997).
9. L. Sudrie, M. Franco, B. Prade, and A. Mysyrewicz, Optics Communications, 171, 279 (1999).
10. E. N. Glezer and E. Mazur, Applied Physics Letters, 71, 882 (1997).
11. R. R. Gattass, L. R. Cerami, and E. Mazur, Optics Express, 14, 5279 (2006).
12. D. Liu, J. Cheng, and W. Perrie et al., ICALEO 2007 Congress Proceedings, 12 (2007).
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为解决长脉冲雷射因脉冲时间过长，材料加工时会产生显著热效应及影响精度问题，国际研究单位已积极投入飞秒雷射之加工技术开发。目前飞秒雷射囿於产能，不易成为量产制程设备，但国际研究方向为开发高精度、高速度之飞秒雷射加工技术，以解决现有技术瓶颈。本文主要针对飞秒雷射之材料加工机制作介绍，并说明飞秒雷射在透明介质材料内部、金属材料及透明导电薄膜之微细加工的应用。
一、前言
随著钛蓝宝石 (Ti:sapphire) 飞秒雷射技术的日趋成熟及商品化，飞秒雷射从 1990 年代开始应用於材料加工。飞秒雷射是指雷射脉冲宽度在飞秒 (femtosecond, fs = 10–15s) 数量级，雷射光束透过聚焦可产生极高功率密度，例如脉冲宽度为 120 fs 的飞秒雷射，1 mJ 的脉冲能量就可以在聚焦光斑直径为 20 µm 的焦点上，单一脉冲产生约 2.7≡10(15次方) W/cm2 的功率密度。如此高的功率密度可以使雷射与材料的交互作用过程产生各种非线性光学效应，使得飞秒雷射加工机制有别於连续或奈秒雷射，可在材料表面及透明材料内部实现极低热效应及突破光学绕射极限的超精密加工。
1995 年开始有研究发表应用於金属材料的削除 (ablation)，可制作次微米的孔洞，直径约为聚焦光斑的十分之一，发现热影响区极小，以及加工机制与长脉冲雷射不同(1)。1996 年则首先有两篇文献应用於透明材料内部加工，透过显微物镜将飞秒雷射直接聚焦在玻璃内部，可改变材料折射系数或制作光波导(2, 3)。飞秒雷射除了进行材料的削除或改质外，可也透过非线性多光子聚合 (multi-photo polymerization)，使得聚焦区域的聚合材料由液体变成固体，可应用於制作形状特徵小於光学绕射极限的三维微奈米结构(4)。
由於飞秒雷射进行材料加工具有热影响区极小、加工特徵可小於光学绕射极限及透明材料内部加工等特点，已被公认为相当重要课题，并吸引国际上重要研究单位投入飞秒雷射微加工技术开发。这些研究采用的飞秒雷射源，主要是再生放大钛蓝宝石飞秒雷射。此雷射的振荡器采用钛蓝宝石为增益介质，透过再生放大 (regenerative amplifier)，可产生中心波长 800 nm、脉冲能量约 mJ、重复频率约 kHz 的雷射光束。虽然被验证可以达到较佳品质加工，但受限於低重复频率及雷射系统复杂，使得实际应用受到限制。近年则有商品化飞秒光纤雷射推出，其为脉冲能量约 µJ、重复频率约 MHz 的雷射光束。虽然脉冲能量较低，但只要聚焦后雷射剂量足以进行材料加工，则在高重复频率下，将可同时提高加工速度及精度，有机会符合业界高产能需求。
二、飞秒雷射之材料加工机制
在不同雷射脉冲宽度照射下，材料若产生能量吸收，主要有线性 (单光子) 及非线性 (多光子) 吸收两种型式，分别说明如下。
1. 线性吸收
所谓线性吸收，以非金属材料为例，当入射光子能量大於能隙 (Eg) 时，则原子中的电子就可以吸收光子能量，由价带跃迁至导带，如图 1(a) 所示。透过线性吸收，单光子能量可以造成材料直接被离子化，以电浆云形式从材料表面喷出，被去除的材料并未历经高温熔解和汽化等过程，因此热效应低，一般将此过程称为光化学 (photo-chemical)削除。在长脉冲短波长雷射照射下，例如紫外光波长的准分子雷射或倍频固态雷射，可提供约 4.5－7 eV 的光子能量，针对低能隙材料，如高分子或半导体，材料移除机制以光化学为主，因此可以达到精密加工。但在长脉冲长波长雷射照射下，例如红外波长的固态雷射，由於入射光子能量小於能隙，无法使电子产生跃迁，此时材料移除机制主要为光热 (photo-thermal) 加工。以光子能量加热材料，被去除的材料必须经过固态、液态和气态的转换，在熔解过程中材料会形成熔融区，因此产生过大热影响区而影响加工精度。针对金属材料，虽然原本在导带就有自由电子可以吸收雷射能量，但在长脉冲雷射照射下，由於金属的高热传导性，被吸收能量会往聚焦区域四周扩散而产生较大热影响区，并使周围材料产生融化现象。一般热扩散长度可近似为l~ (D-ꭓ )1/2，其中 D 为热扩散系数、-ꭓL 为雷射脉冲宽度。大多数金属材料 D 值介於 0.1－1 cm2/s 之间，若透过脉冲宽度 10 ns 的奈秒雷射进行加工，产生的热扩散长度约0.1－1µm。
图 1. 线性及非线性吸收示意图。(a) 线性及 (b) 非线性。
2. 非线性吸收所谓非线性吸收，需在高功率密度照射下才可以产生，例如大於 1013 W/cm2，此时材料对能量吸收与雷射功率密度的 n 次方呈非线性关系，其中 n为被吸收的光子数。因此超短脉冲雷射，如飞秒雷射才有机会产生非线性吸收，对於长脉冲雷射，无法产生非线性吸收。在飞秒雷射照射下，虽然单光子能量小於材料能隙，但电子仍可以透过非线性吸收而产生跃迁，过程主要有光离子化 (photo- ionization) 及崩落离子化 (avalanche ionization)(5)，如图 1(b) 所示。在光离子化过程，当电子吸收 n个光子能量，使总吸收能量大於能隙时，nhc/入 Eg，则同样可以由价带跃迁至导带，而形成自由电子。在崩落离子化过程，导带中的自由电子可吸收多个光子而跃迁到更高能阶，可以撞击周围的原子而产生另外的电子，透过持续的吸收和撞击，使导带中的自由电子密度快速成长，当自由电子密度达到临界值 (约 1021 cm–3) 时，聚焦区域的材料将以电浆云形式从材料表面喷出，并几乎带走原本照射产生的热量，使得加工区域温度迅速降低，过程中没有热融化现象。要产生崩落离子化，导带中必须有自由电子存在。针对介质材料，可以在雷射脉冲上升缘期间，透过光离子化机制，使得导带中产生种子自由电子，在雷射脉冲停止前可以产生崩落离子化。
金属材料则不同於介质，它原本在导带就有足够自由电子可以吸收雷射能量。在飞秒雷射照射下，材料中的自由电子会先吸收光子能量，并迅速转为电子热能，此段作用时间约 fs 数量级，远小於电子热能传递至晶格所需时间 (约 ps 数量级)。因此在雷射脉冲停止时，电子会被加热到高温，但晶格仍保持低温，两者温度为非热平衡状态，如图2所示。电子传递至晶格的热能，将使材料表面产生削除。透过两个温度热扩散模型，可以求得每个雷射脉冲削除深度可近似为(6)其中8为光穿透深度，l 为有效热穿透深度，Fα为材料吸收的雷射剂量，F8、Fl 为雷射剂量阀值。
针对半导体材料，如矽的能隙约 1.14 eV，而钛蓝宝石飞秒雷射产生的单光子能量约 1.55 eV (中心波长 800 nm)，因此单光子吸收过程就可以激发电子由价带跃迁至导带。透过飞秒雷射加工矽材料，包含线性及非线性吸收两个机制，如下式所示：
其中 n(t) 为自由电子密度，I(t) 为雷射照射强度，α为线性吸收系数，为双光子吸收系数。当脉冲功率密度为 1012 W/cm2 时，约是α的 15 倍，因此在飞秒雷射的高强度照射下，半导体材料的加工机制以非线性吸收为主。
图 3.不同飞秒雷射脉冲能量加工玻璃内部制作之微结构：(a) 低能量、(b) 适中能量及 (c) 高能量(8, 9, 10)。
三、飞秒雷射之材料微细加工的应用
1. 飞秒雷射应用於透明介质材料内部加工
飞秒雷射应用於玻璃、石英、晶体等透明材料内部加工，主要将雷射光束直接聚焦於材料内部，使此局部区域具有高的脉冲功率密度，而产生非线性吸收，其他区域一方面因为材料的透明性，使得线性吸收可以忽略，另一方面则因为脉冲功率密度较低，而无法产生非线性吸收。由於只有聚焦区域进行材料加工，在其他区域并没有产生破坏，配合扫描机制，可使此技术具有三维加工能力，可应用於光波导、光耦合、光储存及微流道制作。但与材料削除不同的是，照射的雷射能量不会被带走，因此产生与削除不同的材料破坏行为，这部分国际学者仍持续研究中，目前归纳主要有三种不同机制来描述此现象，包括等向 (isotropic) 折射率改变(8)、双折射 (birefringent) 率改变(9) 及空洞 (void) 的产生 (10)，如图 3 所示。
当聚焦的雷射剂量低於材料的削除阀值时，透过多光子吸收，可使聚焦区域的介质融化及快速再固化，如图 3(a) 所示，并产生折射率变化，此机制可应用於制作光波导。在适中能量照射下会产生周期性奈米结构，如图 3(b) 所示，推测因为干涉现象导致结构特徵周期性改变。当聚焦的雷射剂量高於材料的削除阀值时，聚焦区域将会由多光子吸收和崩落离子化产生微爆炸，使这些材料往聚焦区域周围移动，而产生微米扩张现象，如图 3(c) 所示，产生的空洞可以应用於光学储存。
图 4.不同重复频率之飞秒雷射加工特性：(a) 1 kHz 及(b) 25 MHz。
图 5. 不同雷射重复频率下在钠钙玻璃内制作光波导(11)。
一般玻璃材料在雷射照射后，将热能传递出去到冷却的时间约在µs 数量级。当相邻雷射脉冲时间大於材料冷却时间，则材料将有足够时间冷却到原本加工温度，如图 4(a) 所示。以放大型飞秒雷射为例，重复频率通常为 kHz，相邻脉冲时间为 ms 数量级，代表相邻雷射脉冲不会造成热能量的累积，加工精度则主要受脉冲宽度及脉冲能量影响。但若使用高重复频率之飞秒雷射进行加工，则雷射重复频率通常为 MHz 等级，相邻脉冲时间小於 µs，此时间可能小於材料冷却时间，如图 4(b)所示。将造成材料在相邻雷射脉冲期间温度无法完全冷却，但下一个雷射脉冲却又照射下来，导致雷射照射产生的热量逐渐累积在加工区域，称之为热累积效应 (heat accumulation effect)。此效应使得高重复频率飞秒雷射加工机制不再是所谓完全冷加工，在玻璃材料内部加工上会在聚焦区域周围产生热影响区，产生更大的破坏区域。虽然热累积效应使得加工范围改变，但仍可以透过雷射参数控制加工形状特徵，在一些硬脆材料加工上，热累积效应可避免材料温度在相邻脉冲间反覆变化，具降低热破裂等特点。
图 5. 不同雷射重复频率下在钠钙玻璃内制作光波导(11)。
图 5 为改变不同雷射重复频率，在钠钙玻璃 (soda lime glass) 内制作光波导，照射次数与波导直径之关系图(11)，可以观察到当雷射重复频率 < 1 Mz时，在同一加工点照射次数增加时，波导直径变化不大。此部分机制如前面介绍，主要透过非线性吸收，使聚焦区域产生折射系数改变，由於相邻雷射脉冲时间大於一般玻璃材料热扩散时间，所以不会产生热累积效应。但当雷射重复频率 <1 Mz 时，可以观察到在同一加工点照射次数加大时，波导直径明显增加。此现象是因为在高脉冲频率下，热累积效应所造成。但此效应使得雷射聚焦区间热扩散呈现放射状，制作的光波导截面极为对称，可降低光传输损失。
图 6. 不同飞秒雷射剂量加工 Ti6Al4V 钛合金：(a)0.7 J/cm2 与 (b) 2 J/cm2 (12)。
图 7. 高重复频率飞秒光纤雷射制作的不同多晶ITO 导线。
图 7. 高重复频率飞秒光纤雷射制作的不同多晶ITO 导线。
2. 飞秒雷射应用於金属材料削除
一般金属材料，在雷射照射后将热能传递出去到冷却的时间约 ps 数量级，即使透过高重复频率 (MHz 数量级) 之飞秒雷射进行加工，相邻脉冲时间小於 µs，此时间通常大於金属材料冷却时间。因为热冷却时间很短，材料在相邻雷射脉冲间可以快速冷却，不易出现热累积效应。图 6 为透过飞秒雷射针对 Ti6Al4V 钛合金进行加工，不同雷射剂量下的加工结果图(12)。由图 6(b) 可以得知，当照射雷射剂量过高时，会在加工区域周围发现热融化现象。主要是因为金属材料移除在高雷射剂量照射时，材料移除主要受热穿透深度影响，会产生显著热效应。此实验验证利用飞秒雷射加工金属材料，若要达到较佳的加工精度，则雷射剂量不可远超过此材料的削除剂量阀值。
3. 飞秒雷射应用於透明导电薄膜加工
利用高重复频率飞秒光纤雷射进行氧化铟锡 (ITO) 透明导电薄膜之图案加工，在不同雷射能量照射下，可以得到不同图案线宽，如图 7 所示。利用飞秒雷射结晶机制，基於明确之材料结晶剂量阀值 Fth，透过控制雷射剂量 F，使光轴附近区域剂量高於 Fth，则可制作小於聚焦光斑之多晶图案，如图 8 中线宽 D。
图 8. 高重复频率飞秒光纤雷射制作多晶图案方法。
四、结论
使用飞秒雷射针对金属、半导体、透明介质和有机组织等材料作加工，已被验证能达到传统雷射所不能达到的高品质加工。随著美国、德国、日本等国家相继投入飞秒雷射国家重点研究计画，飞秒雷射与材料之交互作用机制也逐渐明朗化，但受限於放大型飞秒雷射低重复频率及系统复杂，实际业界应用还是受到限制。透过近几年商品化的飞秒光纤雷射，雷射源系统简单及雷射脉冲频率高，有机会实现高速及高精度加工，使得飞秒雷射微细加工技术受到瞩目，并预期能够应用於业界制程。
参考文献
1. P. P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, and G. Mourou, Optics Communications, 114, 106 (1995).
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