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超短脈沖激光器（通常會稱為超快激光器）的脈沖長度可以達到皮秒級甚至飛秒級。作為科學的研究工具，超快激光器的研發歷史已有幾十年。伴隨著超快激光器的發展，讓飛秒化學、光譜學以及多光子成像領域也受益匪淺，還使神經科學和量子力學的新研究成為可能。

 

技術發展及用戶基礎擴大等一系列因素，正在促成超快激光技術市場的迅速發展。未來5年，該市場將以16.6%的復合年增長率增長——這個預測是在考慮到新冠肺炎疫情導致生產放緩這個因素下做出的（來源：Chromacity公司）

現在，超快激光器已開始超越傳統的研究技術。皮秒激光器的商業化應用已有20多年的歷史。隨之而來的是超快激光器制造成本的降低，并且可以適應工業需求，直到最近商業應用才達到臨界點。美國加州激光制造商Lumentum的生產線管理總監Vincent Issier談到：“在過去5-7年里，皮秒激光器得到了大規模的應用。在那之前，超快激光是最后的選擇。”

“現在，皮秒激光器正在逐漸成為主流，部分原因是因為它們現在可以加入到微加工解決方案的競爭。它們也是行業的一個新發展方向。”Vincent Issier說。2016年Lumentum公司發布了PicoBlade 2超快激光器以開拓這一市場。他們做了重新設計，使該技術可以在更小的空間中使用，并易于集成到工業系統中。

長期以來，超快激光器都只是一種實驗室用的工具，但是現在超快激光器的總成本已經低得足以引起人們對其工業應用潛力的興趣（來源：Chromacity公司）

微加工工具
根據市場研究公司的報告，工業超快激光器市場背后的動力由幾個因素組成。即使考慮新冠肺炎疫情導致的生產放緩，未來5年超快激光器市場的年復合年增長率仍然有望達到16.6%。其中，一個因素是大規模需求的出現。

MKS Instruments公司產品營銷高級總監Herman Chui說：“消費電子產品是推動皮秒激光器技術被采用的真正原因。”MKS Instruments公司擁有激光制造商理波光譜物理科技有限公司（spectrum-physics），能夠生產制造皮秒激光器備。但是，汽車、生物成像和醫療領域對工業超快激光器的需求也在增長，這讓工業超快激光器新的制造能力得以開發，比如脈沖寬度更長的激光工藝，或取代其他技術。

Herman Chui表示，自從2007年蘋果發布第一代iPhone以來，所有電子產品類別比如平板電腦、AR/VR設備和可穿戴醫療設備都已商業化。這些設備正在變得越來越小，功能越來越多。制造商需要能夠加工具有更精細功能的印刷電路板和OLED顯示屏等材料，但要杜絕大量的熱量傳遞，因為熱量會損壞材料，而超快激光器非常適合這樣的應用需求。

Lumentum公司的Vincent Issier說：“過去是用機械工藝的方式，比如用鉆頭在組成電子元件的零件上鉆出線和孔，但經常會出現無法再縮小鉆頭尺寸的情況。如果鉆頭磨損、斷裂，還得更換零件，增加成本。另外，維修還會引發停機，降低機器的使用效率。”

工業界一直在尋找將生產成本最小化的方法。對此，超快激光器的加工質量扮演了一個重要角色。“通過發揮超快激光器的合適性能如波長、能量、脈沖持續時間以及傳輸光學，就能將材料中的熱影響區最小化，減少碎片產生、重鑄、變色等。這是一個巨大的優勢。”Vincent Issier說。

可靠的激光器
當然，行業必須在激光器上下功夫，以確保超快激光器能夠與技術成熟、可持續運轉的機械式微加工相競爭。正如Lumentum公司再設計的產品PicoBlade展示的那樣，超快激光器的尺寸縮小了，可以更好地被集成到各種制造平臺和運動系統中，這是它們的一大優勢。但是，蘇格蘭超快激光器制造商Chromacity的商業總監兼聯合創始人Christopher Leburn表示：可靠性的提高也是超快激光器成為工業解決方案的一個主要原因。

“縱觀超短脈沖激光系統的發展歷史，要實現可靠的維護效果是相當難的。作為高度復雜的光學儀器，它們需要額外的電子層或冷卻工序，以實現一致的脈沖質量或光譜穩定性，”Christopher Leburn說，“隨著時間的推移，改進的激光器架構變得更穩定，制造過程也更有效率。”

MKS Instruments公司的Herman Chui表示同意：“我們花了很長時間才想出讓這些激光器適應商業應用的新方法。在這些改進中，許多都是隨著時間推移發生，并不是階梯式的功能改進。它們是對現有激光器架構的改進。”
在盒子里
大多數工業超快激光器是基于技術早已成熟的主振蕩器功率放大器（MOPA）而設計的。在放大器的激光器內放有一臺振蕩器，作為種子激光器連接到放大器，從而增加發射脈沖的能量，再通過一個標準化平臺實現激光加工。振蕩器通常是基于光纖的，而放大器可以基于光纖也可以基于固態晶體，取決于最終的功率輸出要求。
一般來說，光纖放大器在設計輸出功率低于100W時是合適的選擇，而搭載固態放大器的激光系統能夠產生更高的輸出功率。光纖放大器還會受到非線性效應的影響，比如受激布里淵散射、受激拉曼散射以及光學克爾效應，都會對功率輸出產生干擾。這些意外的效應就是儀器制造商常將超快激光系統與其他系統組合起來應用的一大原因。

Herman Chui表示，MKS Instruments公司旗下的理波光譜物理科技有限公司就在其IceFyre皮秒激光器中應用了這種組合架構，將一個光纖振蕩器和一個固態放大器組合了起來。這種架構讓激光器的脈沖能夠根據需求從納秒迅速切換到皮秒、飛秒。這對降低成本、提高光電元件（如二極管）的性能，提高超快激光器的成本效益方面都發揮了積極作用。

 

作為高度復雜的光學儀器，超短脈沖激光系統一直面臨著“難維護、難操作”這項難題，為實現一致的脈沖質量或光譜穩定性，需要電子層或冷卻工序。但是，改進底層架構，就能使這些系統更加穩固耐用，可被大規模制造（來源：Chromacity公司）

在蘇格蘭赫瑞瓦特大學進行激光研究時，Christopher Leburn創立了Chromacity公司。該公司推出的最新一款激光器設計就是光學參量振蕩器（OPO）系統，使用磷化鎵非線性晶體在中紅外區域產生皮秒脈沖。Christopher Leburn介紹說：“這款振蕩器是由一種基于部分光纖、部分自由空間激光器的高平均功率、1μm波長光源泵浦發出的。這些組件裝在一個單片基板上，有助于激光系統的緊湊和可靠性。熱效率激光系統無需水冷卻。”
更快的脈沖速度
隨著超快激光器在工業加工領域的發展，它已被用于加工越來越多的材料，包括金屬、玻璃、寶石和塑料。這些材料的獨特特性以及它們對激光脈沖的不同公差，促使制造商開發具有處理這些材料的儀器。Herman Chui表示：“企業的研發人員一直努力在滿足客戶需求和預測市場走向之間尋找平衡點。我們必須專注于技術，設計生產出符合市場預期的產品。”

理波光譜物理科技有限公司的新型超快激光器，產生的諧波在光譜的紫外和綠色波長區域發射皮秒脈沖。他們還有一些產品也能發射飛秒脈沖。較短的脈沖可以讓材料更好地吸收光，產生較淺的吸收深度。飛秒激光對材料的熱影響也比皮秒激光低，熱影響區域更小，但是在輸出相同的功率時，飛秒激光器的光通量可能更低，成本更高。因此，脈沖的參數如波長、形狀以及脈沖串的類型，可以產生很大不同。

“這是因為優化了光與材料的相互作用，”Herman Chui說，“超薄玻璃切割得益于超短脈沖激光器，因為你可以在不進行任何后處理的情況下獲得數十納米的邊緣表面粗糙度。以平板顯示器制造為例，這項技術的進步有助于降低其制造成本。”

高功率皮秒脈沖激光切割OLED顯示屏。皮秒激光器的超短脈沖能夠非常有效地在印刷電路板和OLED顯示屏上做更精細的加工，不傳導大熱量，防止由此產生的部件損壞問題（來源：MKS儀器公司）

Chromacity公司的Christopher Leburn說：“飛秒脈沖還可以擴大超快激光系統的用途。該公司的飛秒激光器已用于要求高脈沖重復率及低脈沖能量的半導體晶圓檢測中。他們還提供可傳輸5μm-12μm不同波長的光源，環境、國防和安全部門都對這種光譜有需求。氣體、液體和固體在中紅外區域有非常明確的化學特征，所以將這些激光應用在化學分析中很有效。”

用發射紫外光的激光器加工塑料和高分子材料，產生的熱量比采用紅外脈沖的激光器少。Lumentum公司去年發布的PicoBlade 3，除了紅外波段外，還有紫外線和綠色波段可供選擇。其運算能力是之前同系列產品的4倍。
“客戶需要更大的功率處理材料，這樣就可以帶來更高的產能。”Vincent Issier說。他認為未來幾年市面上的工業超快激光器數量會增加。此外，超快激光器還會出現其他用途，比如表面紋理加工，通過激光加工在材料上打造疏水性或親水性功能。

Chromacity公司的Christopher Leburn發現激光器尺寸正向著越來越小的趨勢發展，最終應該達到可攜帶的程度。“我們曾用我們生產的超短脈沖OPO系統在野外測量甲烷、乙烷和水蒸氣，以十億分之一的分辨率在70米的距離范圍內測出了化學信號。這是傳統技術不可能實現的效果，”Christopher Leburn說，“制造出更緊湊的超快激光系統只有時間和資源上的挑戰，而非物理層面的。

                                                                                                  ----文章來源激光制造網