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本文引用自《科儀新知》第二十九卷，作者鄭中緯先生為國立成功大學機械工程博士，現任工業技術研究院南分院雷射應用科技中心經理。
為解決長脈衝雷射因脈衝時間過長，材料加工時會產生顯著熱效應及影響精度問題，國際研究單位已積極投入飛秒雷射之加工技術開發。目前飛秒雷射囿於產能，不易成為量產製程設備，但國際研究方向為開發高精度、高速度之飛秒雷射加工技術，以解決現有技術瓶頸。本文主要針對飛秒雷射之材料加工機制作介紹，並說明飛秒雷射在透明介質材料內部、金屬材料及透明導電薄膜之微細加工的應用。
一、前言
隨著鈦藍寶石 (Ti:sapphire) 飛秒雷射技術的日趨成熟及商品化，飛秒雷射從 1990 年代開始應用於材料加工。飛秒雷射是指雷射脈衝寬度在飛秒 (femtosecond, fs = 10–15s) 數量級，雷射光束透過聚焦可產生極高功率密度，例如脈衝寬度為 120 fs 的飛秒雷射，1 mJ 的脈衝能量就可以在聚焦光斑直徑為 20 µm 的焦點上，單一脈衝產生約 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與材料的交互作用過程產生各種非線性光學效應，使得飛秒雷射加工機制有別於連續或奈秒雷射，可在材料表面及透明材料內部實現極低熱效應及突破光學繞射極限的超精密加工。
1995 年開始有研究發表應用於金屬材料的削除 (ablation)，可製作次微米的孔洞，直徑約為聚焦光斑的十分之一，發現熱影響區極小，以及加工機制與長脈衝雷射不同(1)。1996 年則首先有兩篇文獻應用於透明材料內部加工，透過顯微物鏡將飛秒雷射直接聚焦在玻璃內部，可改變材料折射係數或製作光波導(2, 3)。飛秒雷射除了進行材料的削除或改質外，可也透過非線性多光子聚合 (multi-photo polymerization)，使得聚焦區域的聚合材料由液體變成固體，可應用於製作形狀特徵小於光學繞射極限的三維微奈米結構(4)。
由於飛秒雷射進行材料加工具有熱影響區極小、加工特徵可小於光學繞射極限及透明材料內部加工等特點，已被公認為相當重要課題，並吸引國際上重要研究單位投入飛秒雷射微加工技術開發。這些研究採用的飛秒雷射源，主要是再生放大鈦藍寶石飛秒雷射。此雷射的振盪器採用鈦藍寶石為增益介質，透過再生放大 (regenerative amplifier)，可產生中心波長 800 nm、脈衝能量約 mJ、重複頻率約 kHz 的雷射光束。雖然被驗證可以達到較佳品質加工，但受限於低重複頻率及雷射系統複雜，使得實際應用受到限制。近年則有商品化飛秒光纖雷射推出，其為脈衝能量約 µJ、重複頻率約 MHz 的雷射光束。雖然脈衝能量較低，但只要聚焦後雷射劑量足以進行材料加工，則在高重複頻率下，將可同時提高加工速度及精度，有機會符合業界高產能需求。
二、飛秒雷射之材料加工機制
在不同雷射脈衝寬度照射下，材料若產生能量吸收，主要有線性 (單光子) 及非線性 (多光子) 吸收兩種型式，分別說明如下。
1. 線性吸收
所謂線性吸收，以非金屬材料為例，當入射光子能量大於能隙 (Eg) 時，則原子中的電子就可以吸收光子能量，由價帶躍遷至導帶，如圖 1(a) 所示。透過線性吸收，單光子能量可以造成材料直接被離子化，以電漿雲形式從材料表面噴出，被去除的材料並未歷經高溫熔解和汽化等過程，因此熱效應低，一般將此過程稱為光化學 (photo-chemical)削除。在長脈衝短波長雷射照射下，例如紫外光波長的準分子雷射或倍頻固態雷射，可提供約 4.5－7 eV 的光子能量，針對低能隙材料，如高分子或半導體，材料移除機制以光化學為主，因此可以達到精密加工。但在長脈衝長波長雷射照射下，例如紅外波長的固態雷射，由於入射光子能量小於能隙，無法使電子產生躍遷，此時材料移除機制主要為光熱 (photo-thermal) 加工。以光子能量加熱材料，被去除的材料必須經過固態、液態和氣態的轉換，在熔解過程中材料會形成熔融區，因此產生過大熱影響區而影響加工精度。針對金屬材料，雖然原本在導帶就有自由電子可以吸收雷射能量，但在長脈衝雷射照射下，由於金屬的高熱傳導性，被吸收能量會往聚焦區域四周擴散而產生較大熱影響區，並使周圍材料產生融化現象。一般熱擴散長度可近似為l~ (D-ꭓ )1/2，其中 D 為熱擴散係數、-ꭓL 為雷射脈衝寬度。大多數金屬材料 D 值介於 0.1－1 cm2/s 之間，若透過脈衝寬度 10 ns 的奈秒雷射進行加工，產生的熱擴散長度約0.1－1µm。
所謂非線性吸收，需在高功率密度照射下才可以產生，例如大於 1013 W/cm2，此時材料對能量吸收與雷射功率密度的 n 次方呈非線性關係，其中 n為被吸收的光子數。因此超短脈衝雷射，如飛秒雷射才有機會產生非線性吸收，對於長脈衝雷射，無法產生非線性吸收。在飛秒雷射照射下，雖然單光子能量小於材料能隙，但電子仍可以透過非線性吸收而產生躍遷，過程主要有光離子化 (photo- ionization) 及崩落離子化 (avalanche ionization)(5)，如圖 1(b) 所示。在光離子化過程，當電子吸收 n個光子能量，使總吸收能量大於能隙時，nhc/入 Eg，則同樣可以由價帶躍遷至導帶，而形成自由電子。在崩落離子化過程，導帶中的自由電子可吸收多個光子而躍遷到更高能階，可以撞擊周圍的原子而產生另外的電子，透過持續的吸收和撞擊，使導帶中的自由電子密度快速成長，當自由電子密度達到臨界值 (約 1021 cm–3) 時，聚焦區域的材料將以電漿雲形式從材料表面噴出，並幾乎帶走原本照射產生的熱量，使得加工區域溫度迅速降低，過程中沒有熱融化現象。要產生崩落離子化，導帶中必須有自由電子存在。針對介質材料，可以在雷射脈衝上升緣期間，透過光離子化機制，使得導帶中產生種子自由電子，在雷射脈衝停止前可以產生崩落離子化。
金屬材料則不同於介質，它原本在導帶就有足夠自由電子可以吸收雷射能量。在飛秒雷射照射下，材料中的自由電子會先吸收光子能量，並迅速轉為電子熱能，此段作用時間約 fs 數量級，遠小於電子熱能傳遞至晶格所需時間 (約 ps 數量級)。因此在雷射脈衝停止時，電子會被加熱到高溫，但晶格仍保持低溫，兩者溫度為非熱平衡狀態，如圖2所示。電子傳遞至晶格的熱能，將使材料表面產生削除。透過兩個溫度熱擴散模型，可以求得每個雷射脈衝削除深度可近似為(6)其中8為光穿透深度，l 為有效熱穿透深度，Fα為材料吸收的雷射劑量，F8、Fl 為雷射劑量閥值。
在不同飛秒雷射劑量照射下，(1)－(2) 兩式將可決定金屬材料的削除速率。剝除深度在低雷射劑量區間 (接近削除劑量閥值)，主要受光穿透深度影響，但在高雷射劑量區間，主要受有效熱穿透深度影響。在低雷射劑量區間，材料削除邊緣未發現熱融化層，但在高雷射劑量區間將產生熱效應，使得加工精度降低。雖然飛秒雷射加工在高雷射劑量產生與長脈衝雷射類似之熱效應現象，但兩者在材料移除速率還是有所差異(7)。透過長脈衝雷射加工通常會產生電漿雲遮罩，之後照射的雷射脈衝會被電漿雲吸收及反射，使得雷射能量無法有效照射到材料，因而降低材料移除速度。但對於飛秒雷射而言，電漿噴出時間約在雷射照射後的 1－10 ps 之間形成，此時飛秒雷射脈衝已經停止，材料移除速度較不受此現象影響，因此在深孔成形上被驗證加工精度優於長脈衝雷射。
針對半導體材料，如矽的能隙約 1.14 eV，而鈦藍寶石飛秒雷射產生的單光子能量約 1.55 eV (中心波長 800 nm)，因此單光子吸收過程就可以激發電子由價帶躍遷至導帶。透過飛秒雷射加工矽材料，包含線性及非線性吸收兩個機制，如下式所示：
其中 n(t) 為自由電子密度，I(t) 為雷射照射強度，α為線性吸收係數，為雙光子吸收係數。當脈衝功率密度為 1012 W/cm2 時，約是α的 15 倍，因此在飛秒雷射的高強度照射下，半導體材料的加工機制以非線性吸收為主。
三、飛秒雷射之材料微細加工的應用
1. 飛秒雷射應用於透明介質材料內部加工
飛秒雷射應用於玻璃、石英、晶體等透明材料內部加工，主要將雷射光束直接聚焦於材料內部，使此局部區域具有高的脈衝功率密度，而產生非線性吸收，其他區域一方面因為材料的透明性，使得線性吸收可以忽略，另一方面則因為脈衝功率密度較低，而無法產生非線性吸收。由於只有聚焦區域進行材料加工，在其他區域並沒有產生破壞，配合掃描機制，可使此技術具有三維加工能力，可應用於光波導、光耦合、光儲存及微流道製作。但與材料削除不同的是，照射的雷射能量不會被帶走，因此產生與削除不同的材料破壞行為，這部分國際學者仍持續研究中，目前歸納主要有三種不同機制來描述此現象，包括等向 (isotropic) 折射率改變(8)、雙折射 (birefringent) 率改變(9) 及空洞 (void) 的產生 (10)，如圖 3 所示。
當聚焦的雷射劑量低於材料的削除閥值時，透過多光子吸收，可使聚焦區域的介質融化及快速再固化，如圖 3(a) 所示，並產生折射率變化，此機制可應用於製作光波導。在適中能量照射下會產生週期性奈米結構，如圖 3(b) 所示，推測因為干涉現象導致結構特徵週期性改變。當聚焦的雷射劑量高於材料的削除閥值時，聚焦區域將會由多光子吸收和崩落離子化產生微爆炸，使這些材料往聚焦區域周圍移動，而產生微米擴張現象，如圖 3(c) 所示，產生的空洞可以應用於光學儲存。
圖 5 為改變不同雷射重複頻率，在鈉鈣玻璃 (soda lime glass) 內製作光波導，照射次數與波導直徑之關係圖(11)，可以觀察到當雷射重複頻率 < 1 Mz時，在同一加工點照射次數增加時，波導直徑變化不大。此部分機制如前面介紹，主要透過非線性吸收，使聚焦區域產生折射係數改變，由於相鄰雷射脈衝時間大於一般玻璃材料熱擴散時間，所以不會產生熱累積效應。但當雷射重複頻率 <1 Mz 時，可以觀察到在同一加工點照射次數加大時，波導直徑明顯增加。此現象是因為在高脈衝頻率下，熱累積效應所造成。但此效應使得雷射聚焦區間熱擴散呈現放射狀，製作的光波導截面極為對稱，可降低光傳輸損失。
2. 飛秒雷射應用於金屬材料削除
一般金屬材料，在雷射照射後將熱能傳遞出去到冷卻的時間約 ps 數量級，即使透過高重複頻率 (MHz 數量級) 之飛秒雷射進行加工，相鄰脈衝時間小於 µs，此時間通常大於金屬材料冷卻時間。因為熱冷卻時間很短，材料在相鄰雷射脈衝間可以快速冷卻，不易出現熱累積效應。圖 6 為透過飛秒雷射針對 Ti6Al4V 鈦合金進行加工，不同雷射劑量下的加工結果圖(12)。由圖 6(b) 可以得知，當照射雷射劑量過高時，會在加工區域周圍發現熱融化現象。主要是因為金屬材料移除在高雷射劑量照射時，材料移除主要受熱穿透深度影響，會產生顯著熱效應。此實驗驗證利用飛秒雷射加工金屬材料，若要達到較佳的加工精度，則雷射劑量不可遠超過此材料的削除劑量閥值。
3. 飛秒雷射應用於透明導電薄膜加工
利用高重複頻率飛秒光纖雷射進行氧化銦錫 (ITO) 透明導電薄膜之圖案加工，在不同雷射能量照射下，可以得到不同圖案線寬，如圖 7 所示。利用飛秒雷射結晶機制，基於明確之材料結晶劑量閥值 Fth，透過控制雷射劑量 F，使光軸附近區域劑量高於 Fth，則可製作小於聚焦光斑之多晶圖案，如圖 8 中線寬 D。
四、結論
使用飛秒雷射針對金屬、半導體、透明介質和有機組織等材料作加工，已被驗證能達到傳統雷射所不能達到的高品質加工。隨著美國、德國、日本等國家相繼投入飛秒雷射國家重點研究計畫，飛秒雷射與材料之交互作用機制也逐漸明朗化，但受限於放大型飛秒雷射低重複頻率及系統複雜，實際業界應用還是受到限制。透過近幾年商品化的飛秒光纖雷射，雷射源系統簡單及雷射脈衝頻率高，有機會實現高速及高精度加工，使得飛秒雷射微細加工技術受到矚目，並預期能夠應用於業界製程。
參考文獻
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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為解決長脈衝雷射因脈衝時間過長，材料加工時會產生顯著熱效應及影響精度問題，國際研究單位已積極投入飛秒雷射之加工技術開發。目前飛秒雷射囿於產能，不易成為量產製程設備，但國際研究方向為開發高精度、高速度之飛秒雷射加工技術，以解決現有技術瓶頸。本文主要針對飛秒雷射之材料加工機制作介紹，並說明飛秒雷射在透明介質材料內部、金屬材料及透明導電薄膜之微細加工的應用。
一、前言
隨著鈦藍寶石 (Ti:sapphire) 飛秒雷射技術的日趨成熟及商品化，飛秒雷射從 1990 年代開始應用於材料加工。飛秒雷射是指雷射脈衝寬度在飛秒 (femtosecond, fs = 10–15s) 數量級，雷射光束透過聚焦可產生極高功率密度，例如脈衝寬度為 120 fs 的飛秒雷射，1 mJ 的脈衝能量就可以在聚焦光斑直徑為 20 µm 的焦點上，單一脈衝產生約 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與材料的交互作用過程產生各種非線性光學效應，使得飛秒雷射加工機制有別於連續或奈秒雷射，可在材料表面及透明材料內部實現極低熱效應及突破光學繞射極限的超精密加工。
1995 年開始有研究發表應用於金屬材料的削除 (ablation)，可製作次微米的孔洞，直徑約為聚焦光斑的十分之一，發現熱影響區極小，以及加工機制與長脈衝雷射不同(1)。1996 年則首先有兩篇文獻應用於透明材料內部加工，透過顯微物鏡將飛秒雷射直接聚焦在玻璃內部，可改變材料折射係數或製作光波導(2, 3)。飛秒雷射除了進行材料的削除或改質外，可也透過非線性多光子聚合 (multi-photo polymerization)，使得聚焦區域的聚合材料由液體變成固體，可應用於製作形狀特徵小於光學繞射極限的三維微奈米結構(4)。
由於飛秒雷射進行材料加工具有熱影響區極小、加工特徵可小於光學繞射極限及透明材料內部加工等特點，已被公認為相當重要課題，並吸引國際上重要研究單位投入飛秒雷射微加工技術開發。這些研究採用的飛秒雷射源，主要是再生放大鈦藍寶石飛秒雷射。此雷射的振盪器採用鈦藍寶石為增益介質，透過再生放大 (regenerative amplifier)，可產生中心波長 800 nm、脈衝能量約 mJ、重複頻率約 kHz 的雷射光束。雖然被驗證可以達到較佳品質加工，但受限於低重複頻率及雷射系統複雜，使得實際應用受到限制。近年則有商品化飛秒光纖雷射推出，其為脈衝能量約 µJ、重複頻率約 MHz 的雷射光束。雖然脈衝能量較低，但只要聚焦後雷射劑量足以進行材料加工，則在高重複頻率下，將可同時提高加工速度及精度，有機會符合業界高產能需求。
二、飛秒雷射之材料加工機制
在不同雷射脈衝寬度照射下，材料若產生能量吸收，主要有線性 (單光子) 及非線性 (多光子) 吸收兩種型式，分別說明如下。
1. 線性吸收
所謂線性吸收，以非金屬材料為例，當入射光子能量大於能隙 (Eg) 時，則原子中的電子就可以吸收光子能量，由價帶躍遷至導帶，如圖 1(a) 所示。透過線性吸收，單光子能量可以造成材料直接被離子化，以電漿雲形式從材料表面噴出，被去除的材料並未歷經高溫熔解和汽化等過程，因此熱效應低，一般將此過程稱為光化學 (photo-chemical)削除。在長脈衝短波長雷射照射下，例如紫外光波長的準分子雷射或倍頻固態雷射，可提供約 4.5－7 eV 的光子能量，針對低能隙材料，如高分子或半導體，材料移除機制以光化學為主，因此可以達到精密加工。但在長脈衝長波長雷射照射下，例如紅外波長的固態雷射，由於入射光子能量小於能隙，無法使電子產生躍遷，此時材料移除機制主要為光熱 (photo-thermal) 加工。以光子能量加熱材料，被去除的材料必須經過固態、液態和氣態的轉換，在熔解過程中材料會形成熔融區，因此產生過大熱影響區而影響加工精度。針對金屬材料，雖然原本在導帶就有自由電子可以吸收雷射能量，但在長脈衝雷射照射下，由於金屬的高熱傳導性，被吸收能量會往聚焦區域四周擴散而產生較大熱影響區，並使周圍材料產生融化現象。一般熱擴散長度可近似為l~ (D-ꭓ )1/2，其中 D 為熱擴散係數、-ꭓL 為雷射脈衝寬度。大多數金屬材料 D 值介於 0.1－1 cm2/s 之間，若透過脈衝寬度 10 ns 的奈秒雷射進行加工，產生的熱擴散長度約0.1－1µm。
圖 1. 線性及非線性吸收示意圖。(a) 線性及 (b) 非線性。
2. 非線性吸收所謂非線性吸收，需在高功率密度照射下才可以產生，例如大於 1013 W/cm2，此時材料對能量吸收與雷射功率密度的 n 次方呈非線性關係，其中 n為被吸收的光子數。因此超短脈衝雷射，如飛秒雷射才有機會產生非線性吸收，對於長脈衝雷射，無法產生非線性吸收。在飛秒雷射照射下，雖然單光子能量小於材料能隙，但電子仍可以透過非線性吸收而產生躍遷，過程主要有光離子化 (photo- ionization) 及崩落離子化 (avalanche ionization)(5)，如圖 1(b) 所示。在光離子化過程，當電子吸收 n個光子能量，使總吸收能量大於能隙時，nhc/入 Eg，則同樣可以由價帶躍遷至導帶，而形成自由電子。在崩落離子化過程，導帶中的自由電子可吸收多個光子而躍遷到更高能階，可以撞擊周圍的原子而產生另外的電子，透過持續的吸收和撞擊，使導帶中的自由電子密度快速成長，當自由電子密度達到臨界值 (約 1021 cm–3) 時，聚焦區域的材料將以電漿雲形式從材料表面噴出，並幾乎帶走原本照射產生的熱量，使得加工區域溫度迅速降低，過程中沒有熱融化現象。要產生崩落離子化，導帶中必須有自由電子存在。針對介質材料，可以在雷射脈衝上升緣期間，透過光離子化機制，使得導帶中產生種子自由電子，在雷射脈衝停止前可以產生崩落離子化。
金屬材料則不同於介質，它原本在導帶就有足夠自由電子可以吸收雷射能量。在飛秒雷射照射下，材料中的自由電子會先吸收光子能量，並迅速轉為電子熱能，此段作用時間約 fs 數量級，遠小於電子熱能傳遞至晶格所需時間 (約 ps 數量級)。因此在雷射脈衝停止時，電子會被加熱到高溫，但晶格仍保持低溫，兩者溫度為非熱平衡狀態，如圖2所示。電子傳遞至晶格的熱能，將使材料表面產生削除。透過兩個溫度熱擴散模型，可以求得每個雷射脈衝削除深度可近似為(6)其中8為光穿透深度，l 為有效熱穿透深度，Fα為材料吸收的雷射劑量，F8、Fl 為雷射劑量閥值。
針對半導體材料，如矽的能隙約 1.14 eV，而鈦藍寶石飛秒雷射產生的單光子能量約 1.55 eV (中心波長 800 nm)，因此單光子吸收過程就可以激發電子由價帶躍遷至導帶。透過飛秒雷射加工矽材料，包含線性及非線性吸收兩個機制，如下式所示：
其中 n(t) 為自由電子密度，I(t) 為雷射照射強度，α為線性吸收係數，為雙光子吸收係數。當脈衝功率密度為 1012 W/cm2 時，約是α的 15 倍，因此在飛秒雷射的高強度照射下，半導體材料的加工機制以非線性吸收為主。
圖 3.不同飛秒雷射脈衝能量加工玻璃內部製作之微結構：(a) 低能量、(b) 適中能量及 (c) 高能量(8, 9, 10)。
三、飛秒雷射之材料微細加工的應用
1. 飛秒雷射應用於透明介質材料內部加工
飛秒雷射應用於玻璃、石英、晶體等透明材料內部加工，主要將雷射光束直接聚焦於材料內部，使此局部區域具有高的脈衝功率密度，而產生非線性吸收，其他區域一方面因為材料的透明性，使得線性吸收可以忽略，另一方面則因為脈衝功率密度較低，而無法產生非線性吸收。由於只有聚焦區域進行材料加工，在其他區域並沒有產生破壞，配合掃描機制，可使此技術具有三維加工能力，可應用於光波導、光耦合、光儲存及微流道製作。但與材料削除不同的是，照射的雷射能量不會被帶走，因此產生與削除不同的材料破壞行為，這部分國際學者仍持續研究中，目前歸納主要有三種不同機制來描述此現象，包括等向 (isotropic) 折射率改變(8)、雙折射 (birefringent) 率改變(9) 及空洞 (void) 的產生 (10)，如圖 3 所示。
當聚焦的雷射劑量低於材料的削除閥值時，透過多光子吸收，可使聚焦區域的介質融化及快速再固化，如圖 3(a) 所示，並產生折射率變化，此機制可應用於製作光波導。在適中能量照射下會產生週期性奈米結構，如圖 3(b) 所示，推測因為干涉現象導致結構特徵週期性改變。當聚焦的雷射劑量高於材料的削除閥值時，聚焦區域將會由多光子吸收和崩落離子化產生微爆炸，使這些材料往聚焦區域周圍移動，而產生微米擴張現象，如圖 3(c) 所示，產生的空洞可以應用於光學儲存。
圖 4.不同重複頻率之飛秒雷射加工特性：(a) 1 kHz 及(b) 25 MHz。
圖 5. 不同雷射重複頻率下在鈉鈣玻璃內製作光波導(11)。
一般玻璃材料在雷射照射後，將熱能傳遞出去到冷卻的時間約在µs 數量級。當相鄰雷射脈衝時間大於材料冷卻時間，則材料將有足夠時間冷卻到原本加工溫度，如圖 4(a) 所示。以放大型飛秒雷射為例，重複頻率通常為 kHz，相鄰脈衝時間為 ms 數量級，代表相鄰雷射脈衝不會造成熱能量的累積，加工精度則主要受脈衝寬度及脈衝能量影響。但若使用高重複頻率之飛秒雷射進行加工，則雷射重複頻率通常為 MHz 等級，相鄰脈衝時間小於 µs，此時間可能小於材料冷卻時間，如圖 4(b)所示。將造成材料在相鄰雷射脈衝期間溫度無法完全冷卻，但下一個雷射脈衝卻又照射下來，導致雷射照射產生的熱量逐漸累積在加工區域，稱之為熱累積效應 (heat accumulation effect)。此效應使得高重複頻率飛秒雷射加工機制不再是所謂完全冷加工，在玻璃材料內部加工上會在聚焦區域周圍產生熱影響區，產生更大的破壞區域。雖然熱累積效應使得加工範圍改變，但仍可以透過雷射參數控制加工形狀特徵，在一些硬脆材料加工上，熱累積效應可避免材料溫度在相鄰脈衝間反覆變化，具降低熱破裂等特點。
圖 5. 不同雷射重複頻率下在鈉鈣玻璃內製作光波導(11)。
圖 5 為改變不同雷射重複頻率，在鈉鈣玻璃 (soda lime glass) 內製作光波導，照射次數與波導直徑之關係圖(11)，可以觀察到當雷射重複頻率 < 1 Mz時，在同一加工點照射次數增加時，波導直徑變化不大。此部分機制如前面介紹，主要透過非線性吸收，使聚焦區域產生折射係數改變，由於相鄰雷射脈衝時間大於一般玻璃材料熱擴散時間，所以不會產生熱累積效應。但當雷射重複頻率 <1 Mz 時，可以觀察到在同一加工點照射次數加大時，波導直徑明顯增加。此現象是因為在高脈衝頻率下，熱累積效應所造成。但此效應使得雷射聚焦區間熱擴散呈現放射狀，製作的光波導截面極為對稱，可降低光傳輸損失。
圖 6. 不同飛秒雷射劑量加工 Ti6Al4V 鈦合金：(a)0.7 J/cm2 與 (b) 2 J/cm2 (12)。
圖 7. 高重複頻率飛秒光纖雷射製作的不同多晶ITO 導線。
圖 7. 高重複頻率飛秒光纖雷射製作的不同多晶ITO 導線。
2. 飛秒雷射應用於金屬材料削除
一般金屬材料，在雷射照射後將熱能傳遞出去到冷卻的時間約 ps 數量級，即使透過高重複頻率 (MHz 數量級) 之飛秒雷射進行加工，相鄰脈衝時間小於 µs，此時間通常大於金屬材料冷卻時間。因為熱冷卻時間很短，材料在相鄰雷射脈衝間可以快速冷卻，不易出現熱累積效應。圖 6 為透過飛秒雷射針對 Ti6Al4V 鈦合金進行加工，不同雷射劑量下的加工結果圖(12)。由圖 6(b) 可以得知，當照射雷射劑量過高時，會在加工區域周圍發現熱融化現象。主要是因為金屬材料移除在高雷射劑量照射時，材料移除主要受熱穿透深度影響，會產生顯著熱效應。此實驗驗證利用飛秒雷射加工金屬材料，若要達到較佳的加工精度，則雷射劑量不可遠超過此材料的削除劑量閥值。
3. 飛秒雷射應用於透明導電薄膜加工
利用高重複頻率飛秒光纖雷射進行氧化銦錫 (ITO) 透明導電薄膜之圖案加工，在不同雷射能量照射下，可以得到不同圖案線寬，如圖 7 所示。利用飛秒雷射結晶機制，基於明確之材料結晶劑量閥值 Fth，透過控制雷射劑量 F，使光軸附近區域劑量高於 Fth，則可製作小於聚焦光斑之多晶圖案，如圖 8 中線寬 D。
圖 8. 高重複頻率飛秒光纖雷射製作多晶圖案方法。
四、結論
使用飛秒雷射針對金屬、半導體、透明介質和有機組織等材料作加工，已被驗證能達到傳統雷射所不能達到的高品質加工。隨著美國、德國、日本等國家相繼投入飛秒雷射國家重點研究計畫，飛秒雷射與材料之交互作用機制也逐漸明朗化，但受限於放大型飛秒雷射低重複頻率及系統複雜，實際業界應用還是受到限制。透過近幾年商品化的飛秒光纖雷射，雷射源系統簡單及雷射脈衝頻率高，有機會實現高速及高精度加工，使得飛秒雷射微細加工技術受到矚目，並預期能夠應用於業界製程。
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