许多散装材料（例如金属和半导体）的常规激光加工经常导致显着的热相关效应，例如熔化，材料飞溅和重铸。这些热效应对于许多应用是非常不利的，特别是对于表面结构化。因为它们降低了该过程的可控性。利用超快脉冲可以引入真正的无热处理。比如，定制的医疗植入物表面要与周围的骨或者组织匹配，需要对表面进行加工。下图1为使用不同脉宽激光加工的表面3D示意图。

图 1

可以看出较短的脉冲宽度不会产生重铸材料，而50ps的凹坑会显示一些重铸，而500ps的结果会在凹坑周围产生更多的重铸材料。

在很多医疗行业应用中，材料的表面纹理起到很关键的作用。例如，细胞生长可以沿预定线引导或限制在聚合物基质中的凹陷内；金属植入物结构与周围组织之间的融合会通过纹理化金属表面而显着增强：激光诱导的周期性表面结构（laser induced periodic surface structures ,LIPSS）或简单地增加的表面粗糙度都可以改善植入物性能。来自Fianium的皮秒高能光纤激光器已经证明能够在金属和半导体上产生LIPSS。下图2显示了两种可实现的表面特征：伪周期表面光栅和随机取向的表面尖刺，以及类似于用于生成“黑色硅”的表面尖刺。这些表面可用于增强表面吸收，疏水性操作和小生境标记等应用。

图 2金属表面纹理与LIPSS。（周期约为500nm，峰值约为2μm）

此外，薄膜划线和图案化是特别适用于皮秒激光器的应用。这些应用仅需要适中的脉冲能量，并且通过提高效率，降低烧蚀阈值，改善质量或增加工艺能力，从材料和脉冲之间的短交互时间中获益。例如，与超短脉冲相关的超高峰值功率激光通过对能量的非线性吸收实现透明薄膜的单脉冲提离处理。

与上述表面微加工一样，金属，聚合物和电介质的薄膜，其易受不利的加热影响，例如熔化，剥落，碎裂，熔体飞溅和基板损坏。图3显示了在纳秒激光器的薄膜微处理中可能出现的一种缺陷。在图像中，小部分材料从边缘剥落并从薄膜表面垂直突出。对于导电材料，这种缺陷对于器件功能而言通常是灾难性的。

图 3

使用超短脉冲激光器，工艺质量可以得到显着改善。如图4所示，从左到右分别为3ps，46ps，10ns和100ns的背面处理结果。使用皮秒结果无缺陷且均匀，而使用纳秒结果遭受碎裂，明显熔化和严重的材料飞溅。10ns的结果显示在边缘周围出现碎片，可以在中央下方的划片左边看到。

图 4从左到右分别为3ps，46ps，10ns和100ns

除了避免导致与热相关的缺陷之外，超短脉冲激光还可以通过提高处理效率来改善加工结果。与纳秒激光较长的相互作用时间会导致熔化并扩散出修饰区域，更多的能量被浪费相比，超短脉冲具有更短的相互作用时间，使得激光脉冲施加的所有能量直接用于消融机制，因此是更有效的过程。图5为测量的去除阈值曲线。可以看出在皮秒方案中，薄钼膜的去除阈值约为0.25J/cm²。当脉冲长度增加到纳秒级时，阈值增加一个数量级。这意味着对于相同的去除区域，需要比皮秒级数多一个数量级的脉冲能量。

图 5

超短脉冲宽度对于涉及峰值功率非线性吸收的应用也很重要。通常需要UV波长来去除诸如透明导电氧化物（TCO）之类的材料，但是通过超快脉冲提供高峰值功率，绿色和甚至红外波长也可以用来去除TCO。下图6显示了三种不同厚度TCO的去除阈值随着脉冲宽度的增加而增加。这一趋势再次表明，脉冲宽度更短，可提高工艺效率。

图 6

来自www.nktphotonics.com