超快激光器正在迅速追赶行业需求

超短脉冲激光器（通常会称为超快激光器）的脉冲长度可以达到皮秒级甚至飞秒级。作为科学的研究工具，超快激光器的研发历史已有几十年。伴随着超快激光器的发展，让飞秒化学、光谱学以及多光子成像领域也受益匪浅，还使神经科学和量子力学的新研究成为可能。

技术发展及用户基础扩大等一系列因素，正在促成超快激光技术市场的迅速发展。未来5年，该市场将以16.6%的复合年增长率增长——这个预测是在考虑到新冠肺炎疫情导致生产放缓这个因素下做出的（来源：Chromacity公司）

现在，超快激光器已开始超越传统的研究技术。皮秒激光器的商业化应用已有20多年的历史。随之而来的是超快激光器制造成本的降低，并且可以适应工业需求，直到最近商业应用才达到临界点。美国加州激光制造商Lumentum的生产线管理总监Vincent Issier谈到：“在过去5-7年里，皮秒激光器得到了大规模的应用。在那之前，超快激光是最后的选择。”

“现在，皮秒激光器正在逐渐成为主流，部分原因是因为它们现在可以加入到微加工解决方案的竞争。它们也是行业的一个新发展方向。”Vincent Issier说。2016年Lumentum公司发布了PicoBlade 2超快激光器以开拓这一市场。他们做了重新设计，使该技术可以在更小的空间中使用，并易于集成到工业系统中。

长期以来，超快激光器都只是一种实验室用的工具，但是现在超快激光器的总成本已经低得足以引起人们对其工业应用潜力的兴趣（来源：Chromacity公司）

微加工工具
根据市场研究公司的报告，工业超快激光器市场背后的动力由几个因素组成。即使考虑新冠肺炎疫情导致的生产放缓，未来5年超快激光器市场的年复合年增长率仍然有望达到16.6%。其中，一个因素是大规模需求的出现。

MKS Instruments公司产品营销高级总监Herman Chui说：“消费电子产品是推动皮秒激光器技术被采用的真正原因。”MKS Instruments公司拥有激光制造商理波光谱物理科技有限公司（spectrum-physics），能够生产制造皮秒激光器备。但是，汽车、生物成像和医疗领域对工业超快激光器的需求也在增长，这让工业超快激光器新的制造能力得以开发，比如脉冲宽度更长的激光工艺，或取代其他技术。

Herman Chui表示，自从2007年苹果发布第一代iPhone以来，所有电子产品类别比如平板电脑、AR/VR设备和可穿戴医疗设备都已商业化。这些设备正在变得越来越小，功能越来越多。制造商需要能够加工具有更精细功能的印刷电路板和OLED显示屏等材料，但要杜绝大量的热量传递，因为热量会损坏材料，而超快激光器非常适合这样的应用需求。

Lumentum公司的Vincent Issier说：“过去是用机械工艺的方式，比如用钻头在组成电子元件的零件上钻出线和孔，但经常会出现无法再缩小钻头尺寸的情况。如果钻头磨损、断裂，还得更换零件，增加成本。另外，维修还会引发停机，降低机器的使用效率。”

工业界一直在寻找将生产成本最小化的方法。对此，超快激光器的加工质量扮演了一个重要角色。“通过发挥超快激光器的合适性能如波长、能量、脉冲持续时间以及传输光学，就能将材料中的热影响区最小化，减少碎片产生、重铸、变色等。这是一个巨大的优势。”Vincent Issier说。

可靠的激光器
当然，行业必须在激光器上下功夫，以确保超快激光器能够与技术成熟、可持续运转的机械式微加工相竞争。正如Lumentum公司再设计的产品PicoBlade展示的那样，超快激光器的尺寸缩小了，可以更好地被集成到各种制造平台和运动系统中，这是它们的一大优势。但是，苏格兰超快激光器制造商Chromacity的商业总监兼联合创始人Christopher Leburn表示：可靠性的提高也是超快激光器成为工业解决方案的一个主要原因。

“纵观超短脉冲激光系统的发展历史，要实现可靠的维护效果是相当难的。作为高度复杂的光学仪器，它们需要额外的电子层或冷却工序，以实现一致的脉冲质量或光谱稳定性，”Christopher Leburn说，“随着时间的推移，改进的激光器架构变得更稳定，制造过程也更有效率。”

MKS Instruments公司的Herman Chui表示同意：“我们花了很长时间才想出让这些激光器适应商业应用的新方法。在这些改进中，许多都是随着时间推移发生，并不是阶梯式的功能改进。它们是对现有激光器架构的改进。”

在盒子里
大多数工业超快激光器是基于技术早已成熟的主振荡器功率放大器（MOPA）而设计的。在放大器的激光器内放有一台振荡器，作为种子激光器连接到放大器，从而增加发射脉冲的能量，再通过一个标准化平台实现激光加工。振荡器通常是基于光纤的，而放大器可以基于光纤也可以基于固态晶体，取决于最终的功率输出要求。
一般来说，光纤放大器在设计输出功率低于100W时是合适的选择，而搭载固态放大器的激光系统能够产生更高的输出功率。光纤放大器还会受到非线性效应的影响，比如受激布里渊散射、受激拉曼散射以及光学克尔效应，都会对功率输出产生干扰。这些意外的效应就是仪器制造商常将超快激光系统与其他系统组合起来应用的一大原因。

Herman Chui表示，MKS Instruments公司旗下的理波光谱物理科技有限公司就在其IceFyre皮秒激光器中应用了这种组合架构，将一个光纤振荡器和一个固态放大器组合了起来。这种架构让激光器的脉冲能够根据需求从纳秒迅速切换到皮秒、飞秒。这对降低成本、提高光电元件（如二极管）的性能，提高超快激光器的成本效益方面都发挥了积极作用。

作为高度复杂的光学仪器，超短脉冲激光系统一直面临着“难维护、难操作”这项难题，为实现一致的脉冲质量或光谱稳定性，需要电子层或冷却工序。但是，改进底层架构，就能使这些系统更加稳固耐用，可被大规模制造（来源：Chromacity公司）

在苏格兰赫瑞瓦特大学进行激光研究时，Christopher Leburn创立了Chromacity公司。该公司推出的最新一款激光器设计就是光学参量振荡器（OPO）系统，使用磷化镓非线性晶体在中红外区域产生皮秒脉冲。Christopher Leburn介绍说：“这款振荡器是由一种基于部分光纤、部分自由空间激光器的高平均功率、1µm波长光源泵浦发出的。这些组件装在一个单片基板上，有助于激光系统的紧凑和可靠性。热效率激光系统无需水冷却。”

更快的脉冲速度
随着超快激光器在工业加工领域的发展，它已被用于加工越来越多的材料，包括金属、玻璃、宝石和塑料。这些材料的独特特性以及它们对激光脉冲的不同公差，促使制造商开发具有处理这些材料的仪器。Herman Chui表示：“企业的研发人员一直努力在满足客户需求和预测市场走向之间寻找平衡点。我们必须专注于技术，设计生产出符合市场预期的产品。”

理波光谱物理科技有限公司的新型超快激光器，产生的谐波在光谱的紫外和绿色波长区域发射皮秒脉冲。他们还有一些产品也能发射飞秒脉冲。较短的脉冲可以让材料更好地吸收光，产生较浅的吸收深度。飞秒激光对材料的热影响也比皮秒激光低，热影响区域更小，但是在输出相同的功率时，飞秒激光器的光通量可能更低，成本更高。因此，脉冲的参数如波长、形状以及脉冲串的类型，可以产生很大不同。

“这是因为优化了光与材料的相互作用，”Herman Chui说，“超薄玻璃切割得益于超短脉冲激光器，因为你可以在不进行任何后处理的情况下获得数十纳米的边缘表面粗糙度。以平板显示器制造为例，这项技术的进步有助于降低其制造成本。”

高功率皮秒脉冲激光切割OLED显示屏。皮秒激光器的超短脉冲能够非常有效地在印刷电路板和OLED显示屏上做更精细的加工，不传导大热量，防止由此产生的部件损坏问题（来源：MKS仪器公司）

Chromacity公司的Christopher Leburn说：“飞秒脉冲还可以扩大超快激光系统的用途。该公司的飞秒激光器已用于要求高脉冲重复率及低脉冲能量的半导体晶圆检测中。他们还提供可传输5µm-12µm不同波长的光源，环境、国防和安全部门都对这种光谱有需求。气体、液体和固体在中红外区域有非常明确的化学特征，所以将这些激光应用在化学分析中很有效。”

用发射紫外光的激光器加工塑料和高分子材料，产生的热量比采用红外脉冲的激光器少。Lumentum公司去年发布的PicoBlade 3，除了红外波段外，还有紫外线和绿色波段可供选择。其运算能力是之前同系列产品的4倍。
“客户需要更大的功率处理材料，这样就可以带来更高的产能。”Vincent Issier说。他认为未来几年市面上的工业超快激光器数量会增加。此外，超快激光器还会出现其他用途，比如表面纹理加工，通过激光加工在材料上打造疏水性或亲水性功能。

Chromacity公司的Christopher Leburn发现激光器尺寸正向着越来越小的趋势发展，最终应该达到可携带的程度。“我们曾用我们生产的超短脉冲OPO系统在野外测量甲烷、乙烷和水蒸气，以十亿分之一的分辨率在70米的距离范围内测出了化学信号。这是传统技术不可能实现的效果，”Christopher Leburn说，“制造出更紧凑的超快激光系统只有时间和资源上的挑战，而非物理层面的。”

来源：荣格-《国际工业激光商情》


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