雷射的英文原名是LASER，是Light Amplification by Stimulated Emission Radiation取第一個字母組成，中文意思是”藉激發放射將光強度放大的器件。雷射的產生是經由一個外在的光源去激發增益介質產生些許的光子能量，然後藉由一個封閉的空間讓光子在裡面來回震盪放大光子，這個封閉空間就是大家知道的共振腔。
一般鈑金加工用的雷射光，是屬於長脈衝的紅外光雷射，當雷射打到鈑金件表面的時候，雷射光的能量會被鈑金件吸收，使鈑金件開始加熱升溫，一旦溫度超過熔點，金屬開始融化變成熔融態或是電漿態時，這時候伴隨的高熱會開始向四周擴散傳遞，使得熱區越來越廣。同時，因為是高能量打進鈑金件，有些因為能量過高，來不及融化造成瞬間爆炸噴發，使得雷射光束附近會有很多噴發出出來的金屬碎片，同時加工點的旁邊也會有很多受損變黑。這是一般長脈衝紅外光雷射加工的時候會看到的現象。
當雷射光束經過特別設計的壓縮以後，會變成短脈衝的超快雷射(Ultra-fast Laser)。短脈衝的超快雷射因為雷射光束在鈑金件的作用時間更短，短到鈑金件材質直接汽化形成電漿態，來不及把熱量傳遞到附近未被加工的區域，所以短脈衝的超快雷射有一個特點就是，這種雷射照射的地方，沒有高熱區域、沒有受損變黑的區域、沒有明顯碎片、也沒有破裂的痕跡，所以被稱為”冷加工”，相對的一般雷射加工被稱為”熱加工”，如圖1。
近年來台灣光電半導體、醫材、通訊產業蓬勃發展，在矽半導體、矽光子波導、Micro-LED、精密模具、醫療儀器等製程加工精密度不斷提高，傳統接觸式機械加工受限於刀具尺寸，已經無法滿足製程需要。因此，非接觸式雷射加工逐漸受到重視並廣泛使用。
如前所述，一般連續式二氧化碳(CO2)或光纖雷射幾乎都是奈秒(10-9秒)等級長脈衝雷射，加工型態為熱加工，雷射光束會將大量的熱傳導到加工點周邊，造成毛邊或掛渣等現象，進而影響加工品質及增加後續渣渣處理成本。超快雷射脈衝時間超短，大約是皮秒(10-12秒)或飛秒(10-15秒)等級，屬於短脈衝雷射，雷射能量可以更集中，可以短時間內打斷原子分子間的鍵結，直接讓材料汽化，熱效應可以降至最低，獲得高品質的加工效果[1][2]。一般來說，皮秒雷射與飛秒雷射通稱為超快雷射。
這種短脈衝的超快雷射特別適用薄金屬與玻璃或矽半導體等硬脆材料，常見的超快雷射加工有超快雷射精密微鑽孔技術、超快雷射誘發週期性微結構技術與超快雷射切割技術，其中又以超快飛秒雷射具備高加工品質著稱，底下分別跟大家介紹超快飛秒雷射的加工應用。
目前超快雷射微深刻技術應用於不鏽鋼材料上，主要是因應光學染料模具製造上的挑戰。跟傳統的奈秒雷射相比，超快雷射技術因為冷加工與雙光子特性帶來不一樣的優勢，在光學染料模具製造有加工速度提升3倍、精度提高10倍、熱影響區極小，孔底平整等優點。此外，工研院為了確保孔型精準及真圓度，特別開發高斯純化光型技術使其能輕鬆應對未來更複雜、更精細的設計要求。
在相同不鏽鋼材料上分別以超快雷射及奈秒雷射進行深刻，其結果如下所示。圖3(a)是以超快雷射進行直徑100㎛圓孔深刻，孔周圍無熱影響區，深度寬度比約為1:1，且底層平整無材料殘渣堆積;圖3(b)是以奈秒雷射進行深刻，孔洞周圍熱影響區明顯，材料明顯融化噴濺堆積在孔洞周圍表面形成類似火山錐口，底部受熱融化後部份材料形成渣殘留於孔洞底部，孔底微結構不平整。
超快雷射因為具備非線性光學特性，在許多表面微結構製程技術當中，超快飛秒雷射所生成的微結構可達奈米等級，配合光路整型設計，可以製作大範圍的薄膜材料表面週期結構，而且微結構區域熱影響區幾乎很少。另外，超快雷射還可以穿透表面，聚焦於材料內部，使內部結構生成微奈米結構，進行材料內部改質[3][4]。與傳統的週期性微結構製作技術，如蝕刻製程、超精密加工、LIGA製程等相比較，超快飛秒雷射具備結構精度佳，其優缺點整理如表一[5]。
圖4為不鏽鋼材料分別用超快飛秒雷射與一般奈秒雷射進行表面處理結果。超快飛秒雷射可在材料表面形成週期性結構如圖4b，但奈秒雷射無法達成顯著的微結構(圖4c)。目前透過超快飛秒雷射可製作形狀特徵小於光學繞射極限的三維微/奈米結構，並利用此微結構的時性達到絢采(如圖5)或疏水性之效果[6]，可提高產品美觀或功能性，增加產品附加價值。
目前全球電動車市場蓬勃發展，相對也促成車用電子產品的需求量增加。在車電規格要求趨勢下，軟性印刷電路板(FPC)因重量輕、薄及可彎曲，開始大量被車用電子產品採用。FPC中的銅箔是各電子零件的訊號傳輸媒介，往往需要配合電路設計成不同的幾何形狀，而且因為很薄且規格要求高，一般傳統加工的良率很低。超快飛秒雷射因脈衝時間短，具有冷加工的特性，搭配特殊的光路技術，可以快速的進行銅箔切割，得到最佳的邊緣品質(如圖6、圖7)。
工研院深耕超快雷射加工技術與應用多年，成功開發超快雷射光路技術及相關應用，如面板內部修補技術、金屬牙根/骨釘表面微結構技術、模具表面結構處理技術、生醫用金屬植入膜/支架應用等。2023年更引進歐洲立陶宛飛秒雷射源，成立超快雷射研發創新中心，整合立陶宛與台灣雷射技術能量，提供測試驗證服務，協助臺灣雷射進行更多樣化的雷射應用，搶占產業新商機，為臺灣超快雷射產業應用提供強有力的服務。
目前超快雷射研發創新中心擁有立陶宛Light Conversion的80 W 1030/515/355nm三種波段飛秒雷射、Litilit的Indylit 10W飛秒雷射與Ekspla的FemtoLux 30W飛秒雷射源，搭配DMC/ITRI合作的製程人機軟體、Akoneer的導光光路及工研院的貝塞爾光束模組，可以進行掃描式或直寫式加工，滿足產業界不同材料製程需求。超快雷射研發創新中心未來可以整合國內超快雷射光學供應鏈與自主次系統，提供國內半導體、醫材、光電通訊等產業製程技術升級創新加值機會。
M.Lenzner,et al., “Precision laser ablation of dielectrics in the 10-fs regime,” Appl. Phys. A 68,369-371,1999.
[1] 楊宏智、林芳妃、黃欣怡，”超快雷射加工之研究與展望，”科儀新知第29卷第六期，20-26, June 2008.
[2] 鄭中緯，”飛秒雷射在材料微細加工的應用，”科儀新知第29卷第六期，27-32，June2008.
[3] 廖立瑋，”飛秒雷射誘發表面週期結構及奈米粒子之研究，”碩士論文，電子物理系所，國立交通大學，2012。
[4] 吳秉翰、蔡武融、鄭中緯、沈威志，”飛秒雷射誘發功能性微奈米結構製作技術，”機械工通雜誌第323期，52-53，Feb.2010。
[5] 蔣巧慧，”雷射表面改質對超合金微結構與超疏水性影響研究，”碩士論文，機械工程系所，國立雲林科技大學，2021。
