超快激光：能量激光领域的下一个制高点

1.1 激光器的分类

其中，按照能量输出波形，激光器可以分为连续激光器、脉冲激光器、和准连续激光器： 

※ 连续激光器：在工作时间内连续输出稳定能量波形的激光器，其特点是功率较高，能够加工体积大、熔点高的材料，如金属板材等； 

※ 脉冲激光器：以脉冲形式输出能量，根据脉冲宽度，脉冲激光器可进一步分为毫秒激光器、微秒激光器、纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器、及阿秒激光器等；例如，如果一台脉冲激光器所输出激光的脉宽在1-1000ns之间，我们称之为纳秒激光器，以此类推；我们将皮秒激光器、飞秒激光器、及阿秒激光器等，称作超快激光器。脉冲激光器的功率远低于连续激光器，但加工精度高于连续激光器，且一般情况下，脉宽越窄，加工精度越高； 

※ 准连续激光器：介于连续激光器和脉冲激光器之间，可以在一定周期内重复输出比较高能量的激光，理论上来说也是一种脉冲激光器。 

以上三种激光器的能量输出波形，也可以用“占空比”这个参数来描述，对于激光器来说，占空比可解释为在一个脉冲循环内，有激光能量输出的时间相对于总时间所占的比例。

 

连续激光器占空比(=1)＞准连续激光器占空比＞脉冲激光器占空比。一般情况下，脉冲激光的脉宽越窄，占空比越低，见图表2所示。

 

 

在材料加工领域，最初脉冲激光器是连续激光器的过渡产品，这是由于早期受到核心元器件的承受能力、工艺水平等因素的影响，连续激光器的输出功率不可能很高，无法将材料加热到熔点以上从而达到加工的目的；若通过一定的技术手段，使激光的输出能量集中在单个脉冲上，这样虽然激光器的总功率没有发生变化，但在脉冲发生的时间点上的瞬时功率却大大提高，满足了材料加工的诉求。后来连续激光器技术逐渐成熟，人们发现脉冲激光在加工精度上有很大的优势，这主要由于脉冲激光对材料的热效应更小，且激光脉宽越窄，热影响越小，加工材料边缘越平整（对应的加工精度越高）。

超快激光器也被称作“超强超短脉冲激光器”、“超短脉冲激光器”等，但我们更愿意称之为“超快激光器”，是因为这个定义与“超快现象”有关。超快现象是指发生在物质微观体系中快速变化的物理、化学或生物过程中的一种现象：在原子分子体系中，原子及分子自身运动的时间尺度大约在皮秒到飞秒量级，如分子转动的周期在皮秒量级，振动的周期约在飞秒量级；当激光脉冲脉宽达到皮秒或飞秒级别，可以在很大程度上避免对分子整体热运动的影响（分子热运动是物质温度的微观本质），而在分子震动的时间尺度上对物质产生影响，使得在达到加工目的的同时，热效应大大降低。

与纳秒及毫秒激光器相比，超快激光器虽然整体功率更低，但由于其直接作用于材料分子震动的时间尺度，在真正意义上实现了“冷加工”，因此加工精度大大提高。

 

由于特性的不同，高功率连续激光器、非超快的脉冲激光器和超快激光器在下游应用领域上有较大差别：

※ 高功率连续激光器（以及准连续激光器）：主要应用于金属材料的切割、烧结、焊接、表面熔敷、打孔、金属3D打印等；

※ 非超快脉冲激光器：非金属材料的打标、硅材料的加工、金属的表面雕刻、金属表面清洗、金属的精密焊接、金属的微加工等；

※ 超快激光器：玻璃、PET及蓝宝石等透明材料和硬脆材料的切割和焊接、精密打标、眼科手术、材料的微观钝化及刻蚀等。

 

从用途来看，高功率连续激光器和超快激光器几乎不存在相互替代的关系，它们一个像板斧一个像镊子，尺寸各有短长。非超快脉冲激光器的下游应用与连续激光器和超快激光器都分别有一些重合，从实际结果来看，同一用途下，其功率不如连续激光器，精度不如超快激光器，比较突出的是性价比。

 

尤其是纳秒紫外激光器，虽然其脉宽没有达到皮秒级别，但加工精度较其他颜色的纳秒激光器有较大提升，已比较广泛的应用于3C产品的加工制造，与超快激光器下游应用重叠度较大。未来随着超快激光器成本下降，可能会侵占纳秒紫外的市场。

1.2 超快激光技术有着很高的技术门槛

2018年10月2日，瑞典皇家科学院在宣布，美国科学家亚瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）、法国科学家杰哈•莫罗（Gérard Mourou）和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰（Donna Stricklan）获得2018年诺贝尔物理学奖。 

 

其中Gérard Mourou和Donna Stricklan二人获奖的理由是发明了激光的啁啾脉冲放大技术（Chirped Pulse Amplification，CPA），这种技术目前已经被普遍应用于超快脉冲激光系统。两位科学家获奖也使得越来越多的人开始接触并了解超快激光的概念。

CPA技术的发明是超快激光发展的里程碑。1960年代，调Q和锁模技术相继出现，并被应用于提高脉冲激光器的能量峰值，后来自锁模技术也被提出，脉冲激光器一度进入了快速发展阶段。

 

1980年代CPA（啁啾）技术的发明，使脉冲激光器突破了脉冲峰值功率的瓶颈，脉冲激光真正进入了超快激光的时代，这也是目前超快激光器中应用最多的技术。

CPA技术的基本原理是先利用一对光栅将初始脉冲激光拉宽，利用放大器把拉宽的激光放大，最后使用另一对光栅将激光脉冲压缩，得到瞬时的高功率。从CPA技术发明至今，人们已经将激光脉冲的强度和峰值功率提高了7-8个数量级，目前基于CPA技术的超快激光器的峰值功率已经可以达到1015W级别。高峰值、高频率、高功率仍是超快激光未来发展的主要方向。

超快激光在真正意义上实现了冷加工，在精密加工方面有显著优势，随着超快激光器的生产工艺逐渐成熟，成本逐渐下降，未来有望广泛的应用于医疗生物、航空航天、消费电子、照明显示、能源环境、精密机械等下游行业。

（1）医疗美容：

超快激光可用于医疗中的眼科手术设备和美容设备。飞秒激光被用于近视手术，被誉为继波前像差技术之后“屈光手术的又一次革命”。近视患者的眼轴大于正常眼轴，使得在眼球调节松弛状态下，平行光线经眼的屈光系统折射后的焦点落在视网膜之前。飞秒激光手术可以去除眼轴维度上多余的肌肉，使眼轴距离恢复正常。飞秒激光手术具有准确性高、安全性高、稳定性高、手术时间短、舒适性高等优点，已经成为当前最主流的近视手术手段之一。

在美容方面，超快激光可用于去除色素和原生痣、去除纹身等，也可以用来改善肌肤的衰老情况。

 

（2）消费电子：

超快激光适用于消费电子制造过程中的硬脆透明材料加工、薄膜加工、精密打标等。手机钢化玻璃和蓝宝石是消费电子原材料中比较有代表性的硬脆透明材料，尤其是蓝宝石，由于其硬度高，脆性大，使用传统的机械加工方式效率和良品率很低；蓝宝石现在已经比较广泛的应用于智能手表、手机摄像头盖板、指纹模组盖板等；纳秒紫外激光和超快激光是目前切割蓝宝石的主要技术手段，超快激光的加工效果比紫外纳秒激光更好。此外，摄像头模组、指纹模组使用的加工方式，也以纳秒和皮秒激光为主。未来柔性手机屏（可折叠屏）的切割、及对应的3D玻璃钻孔，主流技术也大概率是超快激光。

 

超快激光在面板制造中，也有重要应用。OLED偏光片的切割、LCD/OLED制造过程中的剥离及修复，都可使用超快激光。

（3）显示照明：

超快激光在显示照明领域的应用主要是指LED晶片的划线和切割，这也是超快激光适合硬脆材料加工的又一例证，超快激光加工的截面平整度高，崩边显著减少，效率和精度都大大提升。

 

（4）光伏能源：

超快激光在光伏电池的制造中应用空间广阔。例如在CIGS薄膜电池的制造中，超快激光可替代原有的机械划线工艺，显著改善划线质量，尤其是对于P2、P3划线环节，可以做到几乎没有崩边现象，也没有裂纹和残余应力。

 

（5）航空航天：

为提高涡轮叶片的性能和使用寿命，进而提高发动机的性能，需要采用气膜冷却技术，这对气膜孔加工技术提出了极高的要求，2018年西安光机所开发出国内最高单脉冲能量的26瓦工业级飞秒光纤激光器，并研制出系列化超快激光极端制造装备，实现了航空发动机涡轮叶片气膜孔的“冷加工”突破，填补了国内空白，这种加工方法较电火花加工等方法精度更高，成品率大大提升。

 

超快激光还可应用于纤维增强复合材料的精密加工，加工精度的提升，有助于碳纤维等复合材料在航空航天等高端领域的应用拓展。

超快激光还可应用于纤维增强复合材料的精密加工，加工精度的提升，有助于碳纤维等复合材料在航空航天等高端领域的应用拓展。