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激光由于其具有很好的單色性、相干性、方向性和高能量密度等特性，隨著技術的進步，日益廣泛地被應用于各類制造服務中，精密激光正不斷地滲透入傳統加工中。傳統的打孔方法在許多場合已不能滿足需求，如在堅硬的碳化鎢合金上加工直徑為幾十微米的小孔；在硬而脆的紅、藍寶石上加工幾百微米直徑的深孔等，用常規的機械加工方法無法實現。而激光束的瞬時功率密度高達108W/cm2，可在短時間內將材料加熱到熔點或沸點，可以很容易地在上述材料上實現打孔。與電子束、電解、電火花和機械打孔相比，激光打孔質量好、重復精度高、通用性強、效率高、成本低及綜合技術經濟效益顯著。激光精密打孔已經達到很高的水平，可以加工直徑從20um到80um的微孔，并且其直徑與深度之比可達1：80。激光束還可以在脆性材料如陶瓷上加工各種微小的異型孔如盲孔、方孔等，這些都是普通機械加工無法做到的。
精密激光制造是新興的加工方法，正在滲透入傳統制造中，逐步替代和突破傳統的制造方法，未來發展空間巨大。激光技術應用是當今全球發展最快、最活躍的高技術產業之一，在傳統制造領域，如汽車、電子、電器、航空、冶金、機械等制造領域，激光正在替代傳統的機械、化學等加工工藝，實現對金屬和非金屬材料的切割、焊接、表面處理、鉆孔以及微加工等。與此同時，隨著激光加工技術的不斷進步以及工業化生產的不斷升級，激光加工領域不斷拓寬，作為新的應用領域，高科技材料（如單晶硅、不易加工的金屬等）的應用增長迅速，其中的激光應用銷售市場也在快速增長，在工業生產中應用范圍越來越廣，激光在工業生產中的應用還包括：大規模集成電路的光刻技術，印刷電路板打孔技術，鐘表零件制造與首飾加工等領域。
社會分工越來越細，專業化程度越來越高，是歷史發展的必然趨勢。企業競爭優勢的大小主要是由生產要素中最薄弱的要素來決定，企業要將每個要素都做到最好是不現實的，世界上沒有一個全能企業。現代企業專注于把內部資源集中在最具核心優勢項目上，而把非優勢項目外包，這是提升競爭優勢的有效路徑。業務外包已成為當今全球新一輪產業革命和轉移中不可逆轉的必然趨勢。精密激光制造和服務外包必要性主要體現在：
第一、減少浪費性競爭。生產精密激光加工產品不僅要求投入大量的資金用于購買激光加工設備，同時由于應用技術性強還要配備相關的專業技術人員。通過將精密激光制造外包，可以節省大量資金和人力投入。
第二、獲得規模經濟。通過協作外包建立大規模專業化分工體系，可以從規模經濟中獲得經濟效益，使各參與分工的單位分享規模經濟帶來的利益。
第三、降低企業成本。相對于機械、電化等傳統的加工手段，精密激光加工設備價值高昂，外包有利于提高加工設備的利用率，降低加工成本。大企業可以通過生產一體化來降低生產成本，但是分工過細又會使一體化的成本上升。當大企業的市場交易成本小于一體化成本時，大企業往往通過分工協作方式，將部分業務外包，通過市場交易來滿足自己所需的服務或中間產品，從而降低企業的總成本。
從國外多年應用的實際情況來看，精密激光制造和服務專業化程度和外包比例較高，這是和現代制造業社會分工專業化、規模化、標準化相吻合，也是市場經濟充分競爭的必然結果。精密激光制造投資大，技術要求高，精密激光制造需求一般通過外包方式來實現，精密激光制造和服務專業化是一種有效的經營模式，由此催生了一批專業從事精密激光制造和服務的企業，帶來了精密激光制造和服務行業的出現和發展。
由于人們對器件尺寸的要求越來越小，物理尺寸也越來越小，需要精度更高、加工速度更快、加工尺寸越小的技術出現，激光是最有競爭力的技術之一。諾貝爾物理學獎獲得者Richard Feynman早在50年代末就曾預言，制造技術將沿著從大到小的途徑發展，即用大機器制造出小機器，用這種小機器又能制造出更小的機器，并由此在微小尺度領域制造出一代代的批量加工工具。科學技術的革命證實了Feynman的預言。微電子技術的出現就是最有說服力的例子，從集成到大規模集成到超大規模集成技術的迅猛發展中，已經顯示出未來的制造技術必將沿著“越來越小”的方向進軍。20世紀把電子技術的主要功能高度集成在一起，形成了世紀標志的高技術產業，并滲透到人類活動的各個領域。21世紀則是多門學科的集成技術，即把微電子、微光學、微機械以及傳感器、執行器的信號處理單元集成在一起的微納制造和微系統技術。微納制造技術與功能微系統將成為21世紀高新技術與產業的里程碑，其發展將使人類在認識和改造自然的能力上達到一個新的高度，導致人類生活和社會物質文明及科學技術的巨大變革。精密加工正是這種需要下發展起來的，精密激光制造和服務是未來制造的發展方向。
超快激光器用于超精密加工
功率強度和脈寬是影響激光束如何與材料相互作用的關鍵因素。在長時間范圍內，材料吸收一部分光能，將其轉換成熱量，熱量會通過材料傳導。如果光束足夠強，便能熔化材料，熔化的材料會將熱量傳遞到周圍區域。對于短至納秒級時間尺度的脈沖加工而言，吸收、熔化和熱傳導占主導地位。
當脈沖能量以短于約100ps的時間尺度傳輸時，根據材料的不同情況會發生顯著變化。隨著脈沖峰值功率的增加，峰值強度急劇上升。例如，持續1ps的微焦級脈沖的峰值功率為1MW，當它聚焦為5μm的光斑時，可產生約4×1012W/cm2的峰值強度，這足以剝離外層電子。激光與材料相互作用的時間是如此之短，以至于離子在能夠將能量傳導到底層材料之前，就已經從材料表面被燒蝕掉了。與光強較低的情況相比，在這種燒蝕模式下，能量傳導受材料吸收的影響較小，但是也會受到材料種類和激光波長的影響。例如，紫外脈沖比近紅外脈沖更適合切割玻璃之類的透明材料，而近紅外脈沖在玻璃中的傳輸性能更好。
這種加工通常也被稱為"冷燒蝕"。雖然材料表面在片刻間就變得非常熱，但是離子在其加熱或損傷底層材料之前就已經被燒蝕掉了，如圖1所示。因此皮秒或飛秒激光脈沖能夠從精細或易碎材料中無損去除非常薄的表層。波蘭研究人員已經使用強度僅在燒蝕閾值之上的70ps脈沖去除油畫表面的透明清漆，并利用光學相干斷層掃描技術監控整個去除過程。美國Photonics Industries公司的Joyce Kilmer說："皮秒激光器能夠將圖案寫到火柴頭上，卻不會讓火柴點燃。"
圖1：納秒脈沖和飛秒脈沖加工效果的對比。
左圖中的納秒脈沖在燒蝕前會熔化表面材料，并將熱量傳遞到鄰近區域，從而影響許多材料。右圖中的飛秒脈沖通過多光子離子化燒蝕材料，只有很少的熱量傳遞到鄰近的材料中。
一般而言，由于皮秒脈沖的能量通常更高，因此皮秒燒蝕的速度更快；相比之下，飛秒燒蝕往往會產生更平滑、更精密的加工表面。實際加工性能取決于脈沖參數、目標材料以及其他方面的考慮。由于燒蝕是將一團材料爆散到光路中，因此重復頻率是很重要的因素。對于兆赫茲的重復頻率，可能在下一個脈沖發射之前，上一個脈沖產生的材料還沒有足夠的時間消散。千赫茲的重復頻率有足夠的時間讓材料消散，所以對精密去除材料可能更加有效。
適用的材料
冷燒蝕加工適用于一系列材料，包括金屬、半導體、玻璃、晶體和陶瓷。冷燒蝕的典型能量密度閾值在0.05~5J/cm2的范圍內，表1中給出了材料對摻鐿光纖激光器和鈦寶石激光器發射的飛秒脈沖的典型閾值。
超短脈沖對切割或加工易碎材料特別有吸引力，包括玻璃、陶瓷、硅和CIGS（用于薄膜太陽能電池的銅銦鎵硒）。利用燒蝕鉆孔或切割玻璃可以避免產生裂縫，并獲得尖銳、清潔的邊緣和表面，如圖2所示。對于液晶顯示器或手機上使用的超薄玻璃，可以通過沿著一系列冷燒蝕激光孔洞對玻璃進行機械擠壓切割成形。這是由于燒蝕是一種具有高閾值的非線性過程，經過聚焦的脈沖，僅在焦斑的中心處的激光功率超過燒蝕閾值，這部分激光脈沖可以鉆出小于衍射極限的孔。
圖2：超快脈沖實現玻璃的精細加工。a）利用10μJ的355nm脈沖在玻璃上鉆出的440μm孔；
b）利用355nm脈沖在Pyrex玻璃上銑出2mm的正方形區域。
薄膜加工的工藝過程更為復雜，例如加工硅基底上的石英。這對該應用，德國Solar Energy Research Hameln研究所的研究人員表示，皮秒脈沖不是自上而下燒蝕石英，而是穿過透明的石英使硅基底熔化，然后蒸發足夠的熔化物使薄膜從基底上升起。因此其能量閾值取決于SiO2的厚度。
由于焦點處具有高得多的功率密度，通過高數值孔徑光學元件聚焦的皮秒脈沖，能夠在玻璃或其他透明材料內部刻蝕結構，而不會影響表面。例如，北京理工大學利用鈦寶石激光器的35fs脈沖，橫跨單模光纖纖芯刻寫出了長周期的光纖布拉格光柵。該光柵在1465~1575nm的波段內產生20dB的衰減。通過誘導體材料玻璃內部的熔融石英波導的雙折射，加拿大多倫多大學制造出了2cm長的波長選擇性定向耦合器，消光比達24dB。他們認為該分束器"有望為制造三維光電路中的偏振相關設備開辟新的方向"。
納米粒子和納米纖維
超快激光器也為脈沖激光沉積提供了新的轉折點。納秒激光脈沖已經成為薄膜沉積的標準，但是它們會將10μm的顆粒濺射到薄膜上。當愛爾蘭圣三一學院（Trinity College）的研究人員檢查納秒脈沖從銀靶上產生的流量時，他們發現離子流量超過了沉積速率，這表明在表面產生了一些自濺射。然而，他們發現飛秒脈沖產生的離子流量只有沉積速率的1%，這表明大部分燒蝕材料形成了納米粒子。其他研究表明，飛秒脈沖產生的納米粒子的大小取決于激光通量、氣體環境和加工材料。
表1 金屬，半導體和電介質的燒蝕闕值
加拿大Ryerson University的研究人員表示，飛秒脈沖容易產生大量致密、糾纏的石英納米纖維。將摻鐿光纖激光器發射的重復頻率為12.4MHz的214fs的脈沖序列，以1.17J/cm2的強度聚焦到硅上，可以產生四種類型的納米纖維絲。其中直徑最大的為幾百納米，長度達10mm；最細的纖維直徑為幾十納米，長度延伸到數百微米。然而，纖維的纏結使研究變得更加困難。
醫學應用
超快脈沖能夠干凈地實現切割加工，并且不破壞周圍區域或形成粗糙的邊緣，這對加工醫學植入物和實施精細手術至關重要。
對于在動脈阻塞中插入支架和伸縮管、打通動脈以恢復血流來說，光滑的表面尤其重要。人體有時會對植入物起反應，在支架上生長疤痕組織，這會重新阻塞動脈。用超快激光器加工各種材料制成的支架，可以產生非常光滑的表面，從而減少了疤痕組織生長的機會。
在LASIK（激光原位角膜磨鑲術）屈光手術中，在角膜表面切割皮瓣以暴露內部組織的應用中，飛秒激光器也已成為標準工具。其主要吸引人之處在于能夠比傳統手術更準確地切割皮瓣。
現在眼科醫生正在將飛秒激光技術擴展到用于實施白內障手術。其中的一個目的是軟化眼球晶狀體中引起白內障的硬核，從而可以很容易地將其去除；另一個目的是實施去除眼球晶狀體所需的切割，并在對眼球其他部位傷害最小的情況下插入替換物。目前有三家公司正在研發可用于上述兩種手術的飛秒激光系統。
目前的研究結果非常鼓舞人心。在去年10月舉行的美國眼科學會會議上，邁阿密大學醫學院Bascom Palmer眼科研究所的研究人員報道說，飛秒激光治療減輕了手術要求，并且減少了晶狀體去除過程中的超聲暴露。在同一次會議上，俄勒岡健康與科學大學的研究人員報道說，飛秒激光手術避免了關鍵角膜內皮細胞的損傷，而傳統的白內障手術會造成這種損傷。
展望
超快激光加工在很大程度上歸功于皮秒激光器和飛秒激光器的產業化，從而使得非專業人員可以在工業和醫學環境中使用它們。到目前為止，超快激光器在一些特定應用中已經非常成功，但是其成本和材料去除速度方面仍然存在很大的局限性。然而無論如何，超快激光器在性能上的優勢，對于像醫療植入支架和精細眼科手術這樣高要求的應用來說，還是非常引人注目的。
