微孔作为一种常见结构，被广泛应用于生物医疗、航空航天、三维封装等领域。飞秒激光具有的超短脉冲持续时间和超高峰值功率特性使其在高质量微孔加工方面具有独特优势。本文综述了近年来飞秒激光时空整形微孔加工方法及其应用，包括飞秒激光时空整形方法、时域/空域整形的电子动态调控微孔加工以及微孔在增透减反、切割以及油水分离、雾气收集、气体收集等方面的应用，并讨论了时空整形飞秒激光微孔加工目前所面临的挑战和未来研究方向。

硬脆和复杂结构材料上的微孔加工是超快激光的主要应用之一。超快激光微孔加工的质量和加工效率受单脉冲能量、频率、脉宽、偏振等光束特性以及加工方式、被加工材料、辅助方式等多个因素的综合影响。不同的工艺参数组合将导致不同的孔圆度、孔锥度、加工缺陷以及侧壁和孔边缘的表面质量,对工艺参数进行研究是超快激光微孔加工的核心问题之一。本文从光束特性、加工及辅助方式、材料特性等方面综述了目前超快激光微孔加工工艺的研究进展,总结并对比了不同研究中对同一工艺参数的研究结果。最后,提出了目前研究存在的不足并展望了今后提升效率和加工质量的方向。

飞秒激光加工技术是一种新型的材料微加工技术, 该技术在航空航天、生物医疗、电子制造等领域有广泛的应用前景。飞秒激光微孔加工技术可以用于航空发动机气膜冷却孔和无痛注射微针等的加工。但是加工质量和效率是制约该技术广泛应用的主要因素。实验研究了Burst模式和单脉冲模式条件下、不同脉冲能量时的微孔加工效果, 并观察了孔的微观形貌。结果表明, 增加能量对提高孔的大小和深度有利, 但不利于提高孔的圆度; 相比单脉冲模式, Burst模式下, 增加Burst内脉冲数, 孔变小变浅, 且圆度变差; 孔内壁上有出现亚微米波纹结构, 波纹上有纳米颗粒, 而孔口边缘出现烧蚀沉积。

自20世纪60年代激光器被发明以来, 其脉冲宽度被不断压缩至亚皮秒及飞秒量级, 使得激光加工技术进入到了超短脉冲阶段。与其它加工技术相比, 超短脉冲激光微孔加工突破了对尺度和材料的限制, 并具有高精度和自动化等优点。主要论述了超短脉冲激光微孔加工的优势, 如“冷”加工、突破衍射极限的低微米及纳米量级的加工等。介绍了超短脉冲激光微孔加工中的三个经典模型, 包括孔径和阈值关系模型、多脉冲累积模型和单脉冲烧蚀深度模型。简述了超短脉冲激光微孔加工的实验研究现状, 并给出了存在的问题和展望。

自20世纪60年代激光器被发明以来, 其脉冲宽度被不断压缩至亚皮秒及飞秒量级, 使得激光加工技术进入到了超短脉冲阶段。为了进一步优化超短脉冲激光的微加工, 理论研究必不可少。主要论述了超短脉冲激光与不同类型材料之间的相互作用机制。简述了超短脉冲激光微孔加工中的典型物理特性, 如等离子体效应、自聚焦和光丝效应及锥形辐射等。分析了超短脉冲激光微孔加工的理论研究现状, 并得出了目前理论研究中存在的问题。

利用皮秒激光加工不锈钢, 采用激光共聚焦显微镜对加工后形貌和质量进行观察与表征, 研究激光能量密度和扫描速度对孔形貌与质量的影响, 以及激光束与工件夹角对锥度的影响。结果表明, 随着能量密度的增大, 皮秒激光加工的热影响越大, 孔径增大, 锥度会减小且孔入口圆度降低, 孔出口圆度随着能量密度增大而增大, 然后趋于稳定, 最后又会下降。扫描速度对于孔入口处的孔径及其圆度都不会产生影响, 圆度保证在98%左右, 随着扫描速度增加, 出口处的孔径先减小后趋于稳定, 锥度增大后稳定在4.0°左右, 出口处的圆度增大后稳定在97%～98%。锥度实际值与工件旋转角度呈非线性关系并给出了函数表达式。

采用螺旋打孔技术, 在不同的激光进给速度下在TiC陶瓷上加工了微孔。用扫描电子显微镜分析了微孔形貌, 利用能量色散谱仪研究了激光加工前后材料化学成分的变化, 并结合Ｘ射线光电子能谱术(XPS)讨论了材料化学键的变化, 探讨了利用飞秒激光加工TiC陶瓷过程中材料的去除机理。结果表明: 所得到的微孔具有较好的形貌特征, 孔边缘没有出现明显的微裂纹。微孔入口圆度达98%以上, 入口直径略小于出口直径。激光进给速度对入口处孔边缘的微观形貌影响较大。进给速度较低时, 激光切蚀区域出现平行的条纹状周期结构, 随着进给速度的增加, 表面以混沌的颗粒状结构为主。在较低或较高的进给速度下, 重铸层都会出现更为剧烈的氧化现象, 实验显示最佳的进给速率应在6.4 μm/s 左右。XPS分析显示材料的去除主要是通过多光子吸收, 在加工过程中发生Ti-C键的断裂产生的Ti离子被氧化后会生成TiO2和Ti2O3。

微孔加工是微器件加工中的重要环节，飞秒激光的强烈非线性吸收和“冷加工”特性使其在玻璃微纳加工方面有独特的优势和应用前景。选用石英玻璃作为试验材料，研究飞秒激光参数对微孔深径比及形貌的影响。结果表明，飞秒激光脉冲能量、打孔速度对微孔深径比存在较大影响。随着激光能量和打孔速度的增加，微孔深径比均呈现减小趋势。通过选择适当参数，可以获得深径比大于25∶1 且孔形较好、无明显裂纹的长直微孔。为了获得更好的聚焦效果，采用倍频晶体BBO 获得了400 nm 波长的飞秒激光。用相同聚焦透镜时400 nm 飞秒激光加工的微孔比800 nm 更小。此外，也对飞秒激光微孔加工中常见的缺陷进行了分析。

用不同能量密度的飞秒激光在不同辅助气压下对TiC陶瓷进行微孔加工，采用扫描电子显微镜（SEM）、微米X射线三维成像仪(Micro-CT)和X射线光电子能谱（XPS）对微孔的形貌和化学键进行了研究。结果表明，在不同能量密度下，微孔入口圆度均不小于99%，微孔出口圆度随能量密度的增加而增大，随后趋于稳定，最大出口圆度为95%。微孔锥度随辅助气压增大而增大，当能量密度为0.51 J/mm2、辅助气压为0.3 MPa时，微孔锥度最佳，其长轴锥度为-0.13°，短轴锥度为0.77°。激光加工过程中，C-C键、Ti-C键断裂，在微孔附近形成包含金属Ti、Ti2O3和TiO2等物质的残渣。最后对激光与材料的作用机制进行了探讨。

飞秒激光具有超快、超强的特性，在微孔加工中有着独特的优势，尤其是针对高品质、大深径比的微孔加工有着不可替代的作用。介绍了超短脉冲激光微孔加工的优势以及研究意义，综述了近十几年来基于超短脉冲激光的微孔加工研究现状，并讨论了材料、激光脉冲参数、加工方式和加工环境等因素对超短脉冲激光微孔加工的影响。指出了现阶段超短脉冲激光微孔加工的应用前景，并总结了超短脉冲激光微孔加工当前所面临的挑战，以及今后的研究重点。