科普｜激光加工纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光，你分得清吗？

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引言：大家对激光加工并不陌生，但你对经常能听到的纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光等，你是否能分得清呢？

我们先来搞清楚时间单位换算

1ms (毫秒)=0.001秒=10-3秒

1μs (微秒)=0.000001=10-6秒

1ns (纳秒)=0.0000000001秒=10-9秒

1ps (皮秒)=0.0000000000001秒=10-12秒

1fs (飞秒)=0.000000000000001秒=10-15秒

搞清楚了时间单位，脉宽是激光仪器的一个常用术语，又称脉冲时间，是指短脉冲激光单位脉冲的持续时间，一般用毫秒及纳秒来表示。

如皮秒激光则是指脉宽达到皮秒级别，其发射的脉冲持续时间非常短。我们就知道了飞秒激光是一种极其超短脉冲的激光加工。近十年来，超短脉冲激光加工技术取得突飞猛进的发展。

超短脉冲激光的意义

人们很早就尝试利用激光进行微加工。但是由于激光的长脉冲宽度和低激光强度造成材料熔化并持续蒸发，虽然激光束可以被聚焦成很小的光斑，但是对材料的热冲击依然很大，限制了加工的精度。唯有减少热影响才能提高加工质量。

超快激光可以获得极高的脉冲能量。超快激光器是指输出激光的脉冲宽度在皮秒（10-12 秒）级别、或小于皮秒级别的脉冲激光器，根据输出激光的脉宽不同，超快激光器又可分为皮秒激光器、飞秒激光器、阿秒激光器等。超快激光可以将光能集中在皮秒至飞秒的时间间隔内，并将光聚焦到比头发直径还要小的超细微空间区域，同时，激光能量集中在如此短的时间内，会获得巨大的单脉冲能量和极高的峰值功率。

超快激光与材料相互作用的时间极短，能在很大程度上避免长脉宽、低强度激光造成材料熔化与持续蒸发现象（热影响），确保了加工过程中不会对所涉及的空间范围的周围材料造成影响，大大提高了加工质量。超快激光加工也因此被称为“冷加工”。

激光加工：长脉冲 VS 超短脉冲

超短脉冲加工能量极快地注入很小的作用区域，瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等影响，从根本上改变了激光与物质相互作用机制。

长脉冲激光加工后的部位

超快激光脉冲加工后的部位

激光加工的广泛应用

激光加工包含高功率切割、焊接；微加工之钻孔、划线、切割、纹理、剥除、隔离等，各种激光加工手段的主要用途有：

短脉冲激光技术的迅速发展使得其在工业范围的应用非常广泛，几乎每天都会发现新的应用。目前短脉冲主要集中在下面几个应用领域。

1. 钻孔

电路板设计中人们开始用陶瓷基底代替常规的塑料基底以实现更好的导热效果。为了连接电子元件，一般需要在板上钻高达数十万个μm级的小孔。因此保证基底的稳定性不会受到钻孔过程时热输入的影响就变得十分重要，皮秒激光正是这个应用的理想工具。

皮秒激光能以冲击钻探的方式完成孔的加工，并保证孔的均匀性。除了电路板，皮秒激光还可以对塑料薄膜、半导体、金属膜和蓝宝石等材料进行高质量钻孔。

100μm不锈钢薄片，钻孔，3.3ns vs 200fs ，1万个脉冲，烧蚀阈值附近

2. 划线，切割

通过扫描的方式叠加激光脉冲可以形成线。通常要通过大量的扫描可以深入到陶瓷内部，直到线的深度达到材料厚度的 1/6。然后沿着这些刻线从陶瓷基底上分离单个模块。这种分离方法叫做划线。

另一种分离方法是使用超短脉冲激光烧蚀切割，也称为消融切割。激光对材料进行烧蚀，去除材料直到它被切透。这个技术的好处是加工的孔的形状和尺寸具有较大的灵活性。所有的工艺步骤可以通过一台皮秒激光器完成。

皮秒激光和纳秒激光在聚碳酸酯材料上进行划线加工的不同效果

3. 线烧蚀（去除镀层）

另外一种经常被视作微加工的应用是在不损害或轻微损害基底材料的情况下精确去除涂层。烧蚀既可以是几微米宽的线，也可以是几平方厘米的大面积去除。

由于涂层的厚度通常远小于烧蚀的宽度，以至于热量不能在侧面传导。因此可以使用纳秒级脉冲宽度的激光。

高平均功率激光、方形或矩形传导光纤、平顶光强分布，这几项技术的结合使得激光面烧蚀得以在工业领域得到应用。例如：使用通快公司的 TruMicro 7060 激光器去除薄膜太阳电池玻璃上的涂层。同样的激光器也可以应用在汽车工业中对抗腐蚀涂层进行去除，为后续焊接做准备。

4. 表面结构化

结构化可以改变材料表面的物理特性。根据荷花效应，疏水性表面结构让水从表面流掉。用超短脉冲激光器在表面创造亚微米结构可以实现这个特性，并可以通过改变激光参数对所要创造的结构进行精确控制。

相反的效果，例如亲水性表面，同样可以实现，而且微加工还可以创造更大尺寸的结构。这些工艺可以用于发动机中的油箱来制造一些降低磨损的微结构，或者在金属表面结构化实现与塑料的焊接。

5. 雕刻成型

雕刻成型是通过烧蚀材料创造三维形状。尽管烧蚀的尺寸可能会超过传统意义上所说的微加工的范畴，但是它所需的精度还是使它被划分到这类激光应用领域。皮秒激光可以用于加工铣床的多晶金刚石刀具边缘。

激光是加工多晶金刚石的理想工具，多晶金刚石是可以制作铣刀刀刃的极为坚硬的材料。使用雕刻成型技术来加工铣刀的切屑槽和齿，这种情形下激光的好处是非接触和高加工精度。

微加工具有非常广阔的应用前景，越来越多的生活用品正通过激光微加工进入我们的视野。

6. 皮秒切割在锂电行业的应用

300W大功率皮秒激光正极极片制片机。从技术原理上来说，皮秒激光由于脉宽极窄，能够依靠自身极高的峰值功率，使材料瞬间气化。与纳秒激光的热加工不同，皮秒激光属于气化消融或改质加工，热效应微乎其微，不产生融珠，加工边缘整齐，打破了纳秒激光热影响区及毛刺较大的困局。

可以说，皮秒激光的模切工艺，恰恰解决了目前五金模切存在的诸多痛点，让占据电芯成本最大比重的正极极片切割工序有了质的提升：

6.1 品质及良率

五金模切是利用机械咬合的原理，切角易存在缺陷，需要反复调试。且机械刀具使用时间长后会出现磨损，导致极片出现毛刺，从而影响整个批次的电池良率。同时，为提升单体能量密度，极片的压实密度提高、厚度增加也会加剧裁刀的损耗。

而300W大功率皮秒激光加工品质稳定，能够长期稳定工作，即便材料加厚也不会造成设备损耗。某款以皮秒激光为核心的正极极片制片机去年就已完成研发并进厂测试，在一年多的试生产过程中，从常规厚度120μm、160μm，一直切到200μm、220μm、250μm，成品均无毛刺，均能满足叠片工艺的要求。据统计，使用300W大功率皮秒激光进行极片模切良率达99.9%、尺寸精度≤±70um。

正极极片切割效果

AT9陶瓷切割截面效果

6.2 综合效率

从机器的直接生产效率来看，300W大功率皮秒激光正极极片制片机每小时制片量与五金模切制片机基本处于同一水平，但考虑到五金机械每三五天需要换一次刀，而换刀必将导致产线全线停工，换刀后还需重新调试，每次换刀意味着几小时的停工。全激光高速制片则节约了换刀时间，综合效率更胜一筹。

6.3 柔性化

对动力电池厂而言，一条叠片产线往往会承载不同型号电池的生产任务。每次换型，都会为五金模切设备多花费几天时间，考虑到有些电池还有冲角需求，将会进一步延长换型时间。

而激光工艺没有换型的烦恼。无论是外形变化还是尺寸变化，激光都能“一切了之”。需要补充的是，在裁断工序上，如果将590的产品换成960、甚至1200的产品，对五金模切而言需要换大刀，而激光工艺只需要加1-2个光路系统，裁断效率不会受影响。可以说，不论是换型量产，还是小规模试样，激光的柔性化优势都突破了五金模切的上限，能为电池厂家节省大量时间。

6.4 综合成本低

尽管五金模具冲切工艺是目前极片分切的主流工艺，且初期采购成本较低，但需要经常修模、换模，且这些维护动作都要导致产线停工，耗费更多工时。相比之下，皮秒激光解决方案无其他耗材，后续维护成本极低。

据测算，以590尺寸/160um厚度磷酸铁锂正极极片裁切为例，采购皮秒激光设备第一年的成本高于传统五金设备，但第二年二者投入的成本基本持平，等设备投产到第五年时，皮秒激光设备的总成本比传统五金设备的成本还要低700万元！

总结

目前全球主要厂商包括大族激光、Disco、华工科技、盛雄激光、韩国EO Technics、Coherent、IPG、帝尔激光和光韵达等

激光加工属于无接触式加工，具有后续工艺少，可控性好、易于集成，加工效率高、材料损耗小，环境污染低等显著优势，已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等行业，对提高产品质量、劳动生产率、自动化程度、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

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