飛秒激光的加工機(jī)理與普通的長脈沖激光(CO2激光、Nd:YAG激光)加工不同，它能以極快的速度將其全部能量(最大峰值功率可達(dá)1012W甚至1015W量級(jí))注入到很小的作用區(qū)域，瞬間內(nèi)產(chǎn)生的高能量密度(其峰值功率密度達(dá)到1022W/cm2以上)的沉積將使電子的吸收和運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，可以避免線性吸收、能量轉(zhuǎn)移及擴(kuò)散過程等的影響，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)制，使其在處于當(dāng)今技術(shù)前沿的超快激光精細(xì)冷加工方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢及普遍的應(yīng)用前景。這種具有高精度、超高空間分辨率及超高普遍性的冷加工過程，使飛秒激光在微電子、光子學(xué)和MOEMS(激光機(jī)電系統(tǒng))等高新技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用前景巨大。

  準(zhǔn)分子激光雖然與飛秒激光一樣均可以進(jìn)行表面微加工，但準(zhǔn)分子激光加工有其固有的缺陷，對(duì)加工對(duì)象依據(jù)波長對(duì)材料有選擇性，加工處理的材料與范圍受限制(這是由于其加工過程基于材料對(duì)光子的共振吸收造成的)。另外，準(zhǔn)分子激光由于激光輻射可被透明材料表面吸收，故只能進(jìn)行表面微細(xì)加工。而飛秒激光不僅能進(jìn)行表面微細(xì)加工，而且可在透明材料內(nèi)部進(jìn)行加工。且飛秒激光加工尺寸更小，加工精度更高。

  與常規(guī)激光相比飛秒激光的超精細(xì)冷加工具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

  (1)加工尺寸小，可實(shí)現(xiàn)超微細(xì)(亞微米至納米量級(jí))加工。

  一般激光加工區(qū)域的橫向尺寸要大于激光波長尺寸，這是由于受到衍射極限的限制造成的。盡管飛秒激光的聚焦光斑尺寸也不可能小于半個(gè)波長，但飛秒激光由于峰值功率極高，與物質(zhì)相互作用不是單光子過程，而主要是多光子過程。如果通過調(diào)節(jié)激光入射能量，則能使加工過程的能量吸收及作用范圍被局限于焦點(diǎn)中心位置的很小一部分體積內(nèi)，而不是整個(gè)聚焦光斑輻照的區(qū)域，這時(shí)加工尺寸可遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聚焦光斑尺寸，突破了光束衍射極限，達(dá)到亞微米甚至納米級(jí)。

  (2)加工熱影響區(qū)小，可實(shí)現(xiàn)高精度的非熱熔性加工。

  由于飛秒激光可以在極短的時(shí)間和極小空間范圍內(nèi)以極高的激光功率密度作用于材料，在沒有熱擴(kuò)散的極短時(shí)間內(nèi)使電子溫度達(dá)到極高，使物質(zhì)從固態(tài)瞬間變?yōu)楦邷?、高壓的等離子體態(tài)，迅速的噴射形式脫離加工基體，其周圍物質(zhì)仍處于“冷狀態(tài)”，因此與長脈沖激光加工相比，飛秒激光沒有熱擴(kuò)散，加工邊緣整齊及加工精度高，實(shí)現(xiàn)了所謂的“非熱熔性”加工。

  (3)能克服等離子體屏蔽，具有穩(wěn)定的加工閾值，加工效率高。

  在長脈沖激光加工中，由于入射激光會(huì)被等離子體吸收與散射，造成激光與材料耦合效率的減弱，等離子體屏蔽是一個(gè)重要問題。而當(dāng)采用100fs超短脈沖激光加工時(shí)，在等離子體臨界密度達(dá)到之前，脈沖能量已經(jīng)結(jié)束沉積，即在等離子體向外膨脹之前，飛秒激光的輻射已經(jīng)結(jié)束，這樣就避免了等離子體屏蔽的出現(xiàn)，有利于提高飛秒激光的能量耦合效率，從而也提高了飛秒激光的加工效率。此外，在長脈沖激光加工中，激光加工的穩(wěn)定性常常受到材料摻雜及缺陷的影響。而飛秒激光加工材料時(shí)，由于多光子電離作用，材料的摻雜和缺陷對(duì)激光燒熔閾值影響很小，所以能使加工閾值更趨穩(wěn)定。

  (4)可實(shí)現(xiàn)精密的三維加工。

  聚焦強(qiáng)度位于燒熔值附近的飛秒激光束可以毫無衰減地到達(dá)透明材料內(nèi)的聚焦點(diǎn)，并在聚焦點(diǎn)可以獲得極高的激光功率密度，產(chǎn)生多光子吸收及電離，使飛秒激光加工過程具有嚴(yán)格的空間定位能力，實(shí)現(xiàn)透明材料內(nèi)部任意位置的三維超精細(xì)加工。

  (5)加工材料范圍廣。

  由于多光子吸收(非共振吸收)及電離閾值僅與材料中的原子特征有關(guān)，而與其中的自由電子濃度無關(guān)，因此飛秒激光可對(duì)任何材料實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工，而與材料的種類及特性無關(guān)。飛秒激光可以精細(xì)加工光學(xué)玻璃、陶瓷、各類電介質(zhì)材料、各種半導(dǎo)體、聚合物以及各種生物材料乃至生物組織，特別是對(duì)熔點(diǎn)相對(duì)較低，且易產(chǎn)生熱擴(kuò)散的金屬材料進(jìn)行精細(xì)加工，飛秒激光以其“非熱熔性”的“冷”加工，展示出它的極大優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。