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什么是超快激光？

定義

超快激光是一類脈沖寬度小于或在皮秒級(jí)（2-10s）內(nèi)的超強(qiáng)超短脈沖激光，是根據(jù)能量輸出波形來(lái)定義的。這個(gè)定義與“超快現(xiàn)象”有關(guān)。超快現(xiàn)象是指在物質(zhì)微觀系統(tǒng)中，物理、化學(xué)或生物過(guò)程中發(fā)生的快速變化的現(xiàn)象。在原子分子系統(tǒng)中，原子和分子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度在皮秒到飛秒量級(jí)。例如分子轉(zhuǎn)動(dòng)的周期為皮秒量級(jí)，振動(dòng)的周期為飛秒量級(jí)。當(dāng)激光脈沖寬度達(dá)到皮秒或飛秒量級(jí)時(shí)，可以很大程度上避免對(duì)分子整體熱運(yùn)動(dòng)的影響（分子熱運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)溫度的微觀本質(zhì)），而對(duì)材料產(chǎn)生的影響則集中在分子振動(dòng)的時(shí)間尺度上，這樣在達(dá)到加工目的的同時(shí)，熱效應(yīng)大大降低。

類型

激光器的分類方法很多，其中最常用的分類方法有4種，包括按工作物質(zhì)分類、按能量輸出波形（工作方式）分類、按輸出波長(zhǎng)（顏色）分類、按功率分類。

其中，根據(jù)能量輸出波形不同，激光器可分為連續(xù)激光器、脈沖激光器、準(zhǔn)連續(xù)激光器：

連續(xù)激光

它是一種在工作時(shí)間內(nèi)持續(xù)輸出穩(wěn)定能量波形的激光器，特點(diǎn)是功率大，可以加工體積大、熔點(diǎn)高的材料，比如金屬板材。

脈沖激光

它以脈沖的形式輸出能量，按照脈沖寬度又可以分為毫秒激光器、微秒激光器、納秒關(guān)機(jī)、皮秒激光器、飛秒激光器、阿秒激光器；比如說(shuō)，如果一個(gè)脈沖激光器輸出的激光器的脈沖寬度在2-2ns之間，我們稱之為納秒激光器，以此類推，我們稱之為皮秒激光器、飛秒激光器、阿秒激光器、超快激光器。脈沖激光器的功率比連續(xù)激光器低很多，但是加工精度比連續(xù)激光器高，而且一般來(lái)說(shuō)，脈沖寬度越窄，加工精度越高。

準(zhǔn)連續(xù)激光器

它能在一定周期內(nèi)重復(fù)輸出較高的能量激光，理論上也是一種脈沖激光。

以上3種激光器的能量輸出波形也可以用“占空比”這個(gè)參數(shù)來(lái)描述，對(duì)于激光器來(lái)說(shuō)，占空比可以理解為一個(gè)脈沖周期內(nèi)激光能量輸出的時(shí)間占總時(shí)間的比例。

連續(xù)激光占空比（=1）>準(zhǔn)連續(xù)激光占空比>脈沖激光占空比。一般脈沖激光的脈沖寬度越窄，占空比越低。

在材料加工領(lǐng)域，脈沖激光器最初是連續(xù)激光器的一個(gè)過(guò)渡產(chǎn)品，這是因?yàn)樵缙谶B續(xù)激光器受核心部件承載能力、技術(shù)水平等因素的影響，輸出功率不可能很高，無(wú)法將材料加熱到熔點(diǎn)以上達(dá)到加工的目的。如果采用一定的技術(shù)手段，將激光的輸出能量集中在一個(gè)脈沖上，這樣雖然激光的總功率不變，但是脈沖時(shí)刻的瞬時(shí)功率卻大大提高，滿足了材料加工的要求。后來(lái)，連續(xù)激光技術(shù)逐漸成熟，人們發(fā)現(xiàn)脈沖激光在加工精度上有很大的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)槊}沖激光對(duì)材料的熱影響較小，激光脈沖寬度越窄，熱影響越小，加工材料的邊緣越光滑，相應(yīng)的加工精度就越高。

旅行箱配件

超快激光器2大核心訴求：高穩(wěn)定性超短脈沖、高脈沖能量。一般采用鎖模技術(shù)可獲得超短脈沖，采用CPA放大技術(shù)可獲得高脈沖能量。涉及的核心部件包括振蕩器、展寬器、放大器、壓縮器等。其中振蕩器和放大器技術(shù)難度最大，也是超快激光器制造企業(yè)的核心技術(shù)。

振蕩器

在振蕩器中，利用鎖模技術(shù)獲得超快激光脈沖。

擔(dān)架

拉伸器將飛秒種子脈沖在時(shí)間上按不同的波長(zhǎng)拉伸開(kāi)。

擴(kuò)音器

使用啁啾放大器來(lái)充分激發(fā)該拉伸脈沖。

壓縮器

壓縮器將放大后的不同成分光譜匯集在一起??，并恢復(fù)到飛秒寬度，從而形成具有極高瞬時(shí)功率的飛秒激光脈沖。

應(yīng)用

與納秒、毫秒激光器相比，超快激光器雖然整體功率較低，但由于其直接作用于物質(zhì)分子振動(dòng)的時(shí)間尺度，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“冷加工”，因此加工精度大大提高。

高功率連續(xù)激光器、非超快脈沖激光器及超快激光器由于特性不同，在下游應(yīng)用領(lǐng)域存在很大差異：

高功率連續(xù)激光器（和準(zhǔn)連續(xù)激光器）用于切割、燒結(jié)、焊接、表面熔覆、鉆孔、 3D 金屬材料的印刷。

非超快脈沖激光器用于非金屬材料打標(biāo)、硅材料加工、精密雕刻金屬表面處理、金屬表面清洗、金屬精密焊接、金屬微加工。

超快激光用于玻璃、PET、藍(lán)寶石等透明材料及硬脆材料的切割、焊接，精密打標(biāo)、眼科手術(shù)、材料的微觀鈍化和蝕刻。

從使用場(chǎng)景來(lái)看，高功率連續(xù)激光器與超快激光器幾乎沒(méi)有相互替代關(guān)系，它們就像斧子和鑷子，大小各有優(yōu)缺點(diǎn)。非超快脈沖激光器的下游應(yīng)用與連續(xù)激光器、超快激光器存在一定的重疊，從實(shí)際結(jié)果來(lái)看，在同樣的應(yīng)用場(chǎng)景下，其功率不如連續(xù)激光器，精度不如超快激光器，更突出的是性價(jià)比。

尤其是納秒紫外激光器，雖然其脈沖寬度達(dá)不到皮秒級(jí)，但加工精度較其他顏色納秒激光器有大幅提升，已在2C產(chǎn)品加工制造中得到廣泛應(yīng)用，未來(lái)隨著超快激光器成本的下降，或?qū)⒄碱I(lǐng)納秒紫外市場(chǎng)。

超快激光器實(shí)現(xiàn)真正意義上的冷加工，在精密加工方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。隨著超快激光器生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟，成本逐漸下降，未來(lái)有望在醫(yī)療生物、航空航天、消費(fèi)電子、照明顯示、能源環(huán)境、精密機(jī)械等下游行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

醫(yī)學(xué)美容

超快激光可用于醫(yī)療眼科手術(shù)設(shè)備和美容設(shè)備。飛秒激光用于近視手術(shù)，被譽(yù)為繼波前像差技術(shù)之后“屈光手術(shù)的又一次革命”。近視患者的眼軸比正常眼軸要大，這樣在眼球放松的狀態(tài)下，平行光線經(jīng)眼屈光系統(tǒng)折射后的焦點(diǎn)落在視網(wǎng)膜前方。飛秒激光手術(shù)可以在眼軸維度上去除多余的肌肉，使眼軸距離恢復(fù)正常。飛秒激光手術(shù)具有精準(zhǔn)度高、安全性高、穩(wěn)定性高、手術(shù)時(shí)間短、舒適度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前最主流的近視手術(shù)方法之一。

在美容方面，超快激光可以用來(lái)去除色素及原生痣，去除紋身，改善皮膚老化等。

消費(fèi)類電子產(chǎn)品

超快激光適用于消費(fèi)電子制造過(guò)程中的硬脆透明材料加工、薄膜加工、精密打標(biāo)等。手機(jī)鋼化玻璃和藍(lán)寶石是消費(fèi)電子原材料中具有代表性的硬脆透明材料，尤其是藍(lán)寶石，由于其硬度高、脆性大，傳統(tǒng)加工方式的效率和成品率很低；藍(lán)寶石現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于智能手表、手機(jī)攝像頭蓋板、指紋模組蓋板等；納秒紫外激光和超快激光是目前切割藍(lán)寶石的主要技術(shù)手段，超快激光的加工效果優(yōu)于紫外納秒激光。另外，攝像頭模組、指紋模組所采用的加工手段主要是納秒和皮秒激光。對(duì)于柔性手機(jī)屏幕（可折疊屏）的切割以及相應(yīng)的 3D 未來(lái)玻璃鉆孔，主流技術(shù)很有可能是超快激光。

超快激光器在面板制造中也有重要應(yīng)用，超快激光器可用于LCD/OLED制造過(guò)程中OLED偏光片的切割、剝離、修復(fù)等。

對(duì)于OLED來(lái)說(shuō)，其聚合物材料對(duì)于熱影響特別敏感，再加上目前制作的cell尺寸和間距都非常小，剩下的加工尺寸也非常小，像以前傳統(tǒng)的模切工藝已經(jīng)不適合如今產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)需求，而且現(xiàn)在還有異形屏、打孔屏的應(yīng)用需求，這些都超出了傳統(tǒng)工藝的能力范圍。這樣一來(lái)超快激光器的好處就體現(xiàn)出來(lái)了，特別是皮秒紫外甚至飛秒激光器，熱影響區(qū)小，更適合曲線加工等更靈活的應(yīng)用。

微焊接

對(duì)于玻璃等透明固體介質(zhì)，超短脈沖激光在介質(zhì)中傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)非線性吸收、熔融損傷、等離子體形成、燒蝕、光纖傳輸?shù)雀鞣N現(xiàn)象。圖為不同功率密度和時(shí)間尺度下超短脈沖激光與固體材料相互作用時(shí)出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。

由于超短脈沖激光微焊接技術(shù)無(wú)需插入中間層、效率高、精度高、無(wú)宏觀熱效應(yīng)、微焊接處理后具有較為理想的力學(xué)性能和光學(xué)性能，非常適合玻璃等透明材料的微焊接。例如，研究人員利用70 fs、250 kHz脈沖成功地將端蓋焊接到標(biāo)準(zhǔn)和微結(jié)構(gòu)光纖上。

顯示照明

超快激光在顯示照明領(lǐng)域的應(yīng)用主要指LED晶圓的劃片和切割，這是超快激光適合加工硬脆材料的另一個(gè)例子，超快激光加工截面平整度高，邊緣崩邊現(xiàn)象明顯減少，效率和精度大大提高。

光伏能源

超快激光在光伏電池制造中有著廣闊的應(yīng)用空間，例如在CIGS薄膜電池制造中，超快激光可以替代原有的機(jī)械劃片工藝，顯著提高劃片質(zhì)量，特別是對(duì)于P2、P3劃片環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)幾乎不崩片，且無(wú)裂紋和殘余應(yīng)力。

航空航天

為了提高渦輪葉片的性能和使用壽命，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，必須采用氣膜冷卻技術(shù)，這對(duì)氣膜孔加工技術(shù)提出了極高的要求。2018年，西安光機(jī)所研制出國(guó)內(nèi)單脈沖能量最高的26瓦工業(yè)級(jí)飛秒光纖激光器，并開(kāi)發(fā)出一系列超快激光極限制造裝備，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔“冷加工”的突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。這種加工方法比電火花加工方法精度更高，成品率大大提高。

超快激光還可應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精密加工，加工精度的提高有助于擴(kuò)大碳纖維等復(fù)合材料在航空航天等高端領(lǐng)域的應(yīng)用。

研究領(lǐng)域

雙光子聚合技術(shù)（2PP）是一種“納米光學(xué)” 3D 打印方法，類似于光固化快速成型技術(shù)，未來(lái)學(xué)家克里斯托弗·巴納特認(rèn)為，這種技術(shù)可能成為一種主流形式 3D 未來(lái)的打印。雙光子聚合技術(shù)的原理是利用“飛秒脈沖激光”選擇性固化感光樹(shù)脂。聽(tīng)起來(lái)像光固化快速成型，不同之處在于雙光子聚合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的最小層厚度和XY軸分辨率在2納米到2納米之間。換句話說(shuō)，2PP 3D 打印技術(shù)比傳統(tǒng)的光固化成型技術(shù)精確數(shù)百倍，打印的東西比細(xì)菌還要小。

目前超快激光器的價(jià)格還比較昂貴，作為行業(yè)先行者， STYLECNC目前已投產(chǎn)超快激光加工設(shè)備，并取得良好的市場(chǎng)反饋?；诔旒す饧夹g(shù)的OLED模組激光精密切割設(shè)備、超快（皮秒/飛秒）激光打標(biāo)設(shè)備、皮秒紅外顯示屏玻璃倒角激光加工設(shè)備、皮秒紅外玻璃晶圓激光切割設(shè)備、LED全自動(dòng)隱形劃片機(jī)、半導(dǎo)體晶圓激光切割機(jī)、指紋識(shí)別模組玻璃蓋板切割設(shè)備、柔性顯示量產(chǎn)線等一系列超快激光產(chǎn)品。

贊成＆反對(duì)

優(yōu)點(diǎn)

超快激光是激光領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一，作為新興技術(shù)，在精密微加工方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。超快激光產(chǎn)生的超短脈沖與材料相互作用的時(shí)間極短，不會(huì)給周圍材料帶來(lái)熱量，所以超快激光加工又稱為冷加工。這是因?yàn)?，?dāng)激光脈沖寬度達(dá)到皮秒或飛秒量級(jí)時(shí)，可以很大程度上避免對(duì)分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，從而產(chǎn)生較少的熱影響。

比如我們用鈍的菜刀切皮蛋，經(jīng)常會(huì)把皮蛋切得很碎。如果選擇刀口特別鋒利，切得又快又干凈的切法，皮蛋就會(huì)切得又均勻又漂亮。這就是超級(jí)快的好處。

缺點(diǎn)

集成電路、面板等高端制造行業(yè)對(duì)激光加工設(shè)備要求極高，存在技術(shù)突破不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)。

超快激光器價(jià)格高昂，轉(zhuǎn)換新的激光器供應(yīng)商無(wú)論對(duì)于激光設(shè)備制造商還是最下游的用戶來(lái)說(shuō)都存在無(wú)法按預(yù)期擴(kuò)大市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。