アブレーションプロセスは、レーザー加工の基本的なメカニズムである。従来のパルスレーザー加工技術は、レーザー照射によって物質を原子・分子レベルで解離させる。吸収されたレーザーエネルギーは材料の原子・分子格子に伝達され、材料がアブレーションされる。同時に、このエネルギーは最終的に熱に変換され、レーザーパルスの持続時間を超えてレーザースポット体積から放散される。
しかし、フェムト秒（10- 15秒）レーザーを使用することで、外科的にクリーンで高度に局所的なレーザーアブレーションが、副次的な損傷や周囲の材料の改変なしに実現可能である。フェムト秒は、コールド・アブレーションと呼ばれるメカニズムが起こりうる時間スケールである。
コールドアブレーションとは何ですか？
厳密に言えば、コールドアブレーションの概念は、フェムト秒レーザー吸収のダイナミクスにおける材料の非熱的状態の間に起こるアブレーションである。このアイデアは、材料が完全な熱平衡状態になる前にアブレーションすることで、レーザーエネルギーが直接吸収される場所から離れて広がる熱を蓄積する機会を少なくすることである。
まず、レーザーエネルギーがどのように物質に伝達されるのか、その詳細を考えてみよう。極めて短いレーザーパルスが物質に当たると、レーザーエネルギーは原子や分子の格子ではなく、原子の光励起された電子サブシステムに吸収される。吸収プロセスが極めて短い時間スケールで起こる場合、物質の大部分は非熱的状態にある。つまり、実質的に冷たい原子・分子格子中の高温の電子である。
コールド」という言葉はこの概念に由来する。この現象は、電子サブシステムから十分なエネルギーが移動し、電子と原子のシステム間で熱化状態に達するまでの最も早い時間スケールで起こるため、非熱アブレーションとも呼ばれる。この時間スケールでは、電子サブシステム自体が熱化状態に達していないことが多く、非熱的状態の定義を複雑にしている。もしこれらの非熱電子の全エネルギーが、ホスト材料の格子から原子や分子を直接アブレーションするために使われるなら、いわゆるコールドアブレーションの理想的なシナリオとなる。このシナリオを実現するためには、超高速レーザーパルスの利用がまず第一に重要であることは明らかだ。
しかし実際には、熱アブレーションと素材の熱化は、デジタル的に時間のオン・オフを調整するのとは異なり、同時に起こる。このため、冷熱アブレーション、非熱熱アブレーション、熱アブレーションの時間幅は、重さの違いで互いに大きく重なる。さらに、熱の蓄積と放散が並行して起こり、電子サブシステムや原子・分子の格子系によって、レーザースポット体積の外に熱を移動させることができる。さらに、アブレーション速度を上げるために、材料のアブレーションに高速の繰り返しレーザーパルスが使用されるが、これはほとんどすべての実用的なケースでさらなる複雑さを加える。このため、材料の温度が高くなることが多い。この温度は必ずしもアブレーションに十分なほど高いわけではないが、固体材料をメルトダウンさせる可能性がある。
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上記の複雑なストーリーはすべて、アブレーションされる素材に大きく依存することに注意されたい。個々のダイナミクスの時間的配置や重なりの度合いや重さは、素材によってかなり異なることがある。
レーザーアブレーションと微細加工がより広範な産業で採用されるにつれ、熱影響部を最小化する超高速レーザーアブレーションプロセスの現象観察を説明する技術用語が発展してきた。
フェムト秒微細加工を理解する
1つの明確な側面は、レーザーパルスの材料との相互作用時間がナノからピコからフェムト秒まで短ければ短いほど、アブレーション結果における非熱特性の寄与が高くなるということである。このことはフェムト秒レーザーによって多くの材料で実証されており、フェムト秒レーザーによって別のレベルの超精密微細加工が可能であることを示している。ポリマーのような、熱の蓄積によって付随的な損傷が非常に起こりやすい材料では、フェムト秒レーザーは、ピコ秒レーザーをも凌ぐ必須のツールとなっている。さらに、ミクロンレベルの高精度アブレーションは、比類のない高品質の非熱的特徴を持つフェムト秒レーザーによってのみ可能である。
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歴史的に、超短時間で物質にビームを集光する場合、産業用レーザー加工に必要なレベルのエネルギーを蒸着することは現実的に不可能であった。この課題は、ファイバーチャープパルス増幅（FCPA）技術の登場によって克服された。
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