在過去的十年里，超快激光器的平均功率有了巨大的增長，工業(yè)激光器現(xiàn)在達(dá)到了千瓦級(jí)。我們正處在飛秒技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這將使新的使用領(lǐng)域和新的生產(chǎn)方法成為可能。高激光功率和相關(guān)的光束工程能夠顯著提高工業(yè)生產(chǎn)率，并打開進(jìn)入航空、能源和移動(dòng)等大型新市場(chǎng)的大門。

高面積表面飛秒激光紋理。

超快激光器，即在皮秒或亞皮秒范圍內(nèi)工作的脈沖激光器，在過去三十年中改變了高精度激光制造業(yè)。自20世紀(jì)90年代中期以來，它們的兩個(gè)特征已被證明對(duì)材料加工有很大的影響。它們的短脈沖持續(xù)時(shí)間和相關(guān)的高峰值功率提供了一種特殊類型的燒蝕，適用于所有材料，其中電子在熱傳遞到晶格之前在等離子體中電離。實(shí)際上，這意味著激光與物質(zhì)的相互作用在材料中產(chǎn)生任何熱量之前就結(jié)束了，這提供了一個(gè)幾乎無熱的過程。再加上激光加工的典型焦距，以及允許在幾乎任何材料上相互作用的高光功率，潛在的好處是顯而易見的：任何材料的微加工都具有高精度、小特征尺寸，并且沒有熱效應(yīng)，例如裂紋形成或表面熔化。

最初可用的激光源是復(fù)雜且昂貴的系統(tǒng)，因此主要局限于實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用不得不等到21世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)激光的強(qiáng)烈發(fā)展導(dǎo)致了適合工業(yè)部署的新一代二極管泵浦、緊湊和可靠的激光器。在此期間，發(fā)展了三種主要的工業(yè)激光技術(shù)，即薄圓盤、光纖和平板，至今仍在使用。利用鐿作為活性物質(zhì)，它們構(gòu)成了當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

提高平均激光功率是“宏觀”加工市場(chǎng)的關(guān)鍵。

隨著激光技術(shù)的成熟，一個(gè)價(jià)值10億美元的市場(chǎng)逐漸出現(xiàn)，圍繞著一個(gè)由激光制造商、系統(tǒng)集成商、技術(shù)中心和研究機(jī)構(gòu)組成的生態(tài)系統(tǒng)，以歐洲為核心，影響著人類活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，lasik等視力矯正應(yīng)用迅速擴(kuò)展，白內(nèi)障手術(shù)等新手術(shù)也迅速跟進(jìn)。超快激光修復(fù)了復(fù)雜OLED顯示屏上的微小缺陷，后來被用于切割相同的屏幕。它們現(xiàn)在是所有現(xiàn)代智能手機(jī)制造中必不可少的部件。開發(fā)了新的創(chuàng)新標(biāo)記應(yīng)用，如消費(fèi)電子設(shè)備的深黑色美學(xué)標(biāo)記，或在玻璃內(nèi)部刻上隱形代碼，以滿足制藥行業(yè)的可追溯性和防偽需求。進(jìn)一步的激光和應(yīng)用開發(fā)現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)鉆孔和高精度切割，以及復(fù)雜的表面紋理，例如在豪華手表制造行業(yè)。其他進(jìn)展，如玻璃或不同材料的微焊接，或用激光和化學(xué)蝕刻技術(shù)在玻璃上制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，都擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

通往高權(quán)力之路

盡管這些應(yīng)用程序多種多樣，但它們有著共同的特點(diǎn)。它們需要微米級(jí)的分辨率，通常覆蓋非常小的區(qū)域，通常只有幾平方毫米。一個(gè)飛秒脈沖將去除少量具有極高精度的材料，導(dǎo)致相當(dāng)有限的燒蝕效率，在大多數(shù)情況下約為幾立方毫米/分鐘。因此，提高燒蝕效率可以在相同的時(shí)間內(nèi)獲得更大的加工量，正如我們將看到的那樣，有潛力打開新市場(chǎng)。

Tresclean項(xiàng)目（Tresclean.eu）旨在開發(fā)用于拒液和抗菌金屬表面的高通量激光紋理。

即使現(xiàn)在正在積極探索一些替代方案，如千兆赫茲處理，提高燒蝕效率的主要途徑仍然是提高平均激光功率。這可以通過增加一個(gè)脈沖中包含的能量來實(shí)現(xiàn)，也可以通過增加每秒的脈沖數(shù)，即激光的重復(fù)頻率來實(shí)現(xiàn)。

在過去幾十年中，提高激光器的平均功率一直是工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)前的大容量制造工藝，如OLED顯示屏面板切割，使用功率范圍為10至100瓦、中等脈沖能量（通常為幾百微焦耳）和高重復(fù)率（通常為10 kHz至數(shù)MHz）的激光器。提高燒蝕率，為飛秒激光加工開辟新市場(chǎng)，需要將激光功率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

目前工業(yè)激光器中的活性材料——鐿離子，對(duì)大功率操作提出了特殊的挑戰(zhàn)。由于它的低發(fā)射截面，它需要非常高的抽運(yùn)強(qiáng)度來獲得足夠的增益，以實(shí)現(xiàn)高效的激光工作。這可以通過將泵浦二極管光束緊密聚焦到激光材料中來實(shí)現(xiàn)，但由于泵浦對(duì)激光的轉(zhuǎn)換效率并不完美，這意味著必須從小體積中提取大量的熱量。

飛秒激光器多年來的發(fā)展。20年平均功率增加1000倍。

因此，任何高功率激光技術(shù)都需要從激光放大器中有效提取熱量，同時(shí)為激光操作保持足夠的增益。多年來已開發(fā)出三種技術(shù)替代方案，并證明了它們?cè)诖蠊β蔬\(yùn)行中的能力。

第一種方法是利用激光放大器的材料幾何形狀來保證有效的熱提取。激光材料是一種薄薄的摻鐿晶體，安裝在一個(gè)非常高效的散熱片上，以實(shí)現(xiàn)最佳提取。此外，激光光斑保持相當(dāng)大，因此激光晶體中的熱梯度大部分是單向的，因此可以保持較高的空間光束質(zhì)量。這種方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，原則上可以使光束大小任意大，并且可以獲得高脈沖能量。最近的工作證明了這種技術(shù)在焦耳水平上的輸出能量，與通常用于材料加工應(yīng)用的數(shù)百微焦耳進(jìn)行了比較。主要限制是晶體中的低單程放大，以及由于晶體厚度較低而限制的泵浦吸收。采用拋物面鏡多道設(shè)計(jì)以及更復(fù)雜的激光設(shè)計(jì)的復(fù)雜泵浦配置可以部分避免這一缺點(diǎn)。在振幅與斯圖加特大學(xué)für Strahlwerkzeuge研究所（IFSW）的合作中，一臺(tái)千瓦級(jí)激光器在24通泵浦腔中使用125µm厚的Yb:YAG光盤和80通激光放大，以1 MHz的重復(fù)率提供了1 mJ的脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間為560 fs。

第二種優(yōu)雅的方法是使用摻鐿光纖作為有源激光介質(zhì)。直接的好處是，要提取的熱量沿著纖維長度分布在一個(gè)大面積上，因此可以相當(dāng)容易地去除。因此，與其他方法相比，實(shí)現(xiàn)高平均功率相對(duì)容易。除了有效的熱量提取，由于光纖中的長傳輸長度，高激光增益也是可能的。主要的挑戰(zhàn)是，為了保持良好的光束質(zhì)量，光纖芯需要單橫模操作。這對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求，而傳統(tǒng)的光纖制造技術(shù)無法滿足這一要求。只有具有大摻雜纖芯和泵浦光有效耦合的微結(jié)構(gòu)光纖的出現(xiàn)，才允許繞過這一限制。纖芯的有限尺寸和光纖中累積的非線性仍然限制了每個(gè)脈沖的可用能量。

早在2010年，耶拿大學(xué)的研究人員就展示了一種平均功率為830 W的光纖激光器，以78 MHz的重復(fù)頻率提供10.6µJ、640 fs的脈沖。在最近的一項(xiàng)工程壯舉中，同一團(tuán)隊(duì)通過12個(gè)獨(dú)立放大器的相干組合，展示了10.4千瓦的平均功率操作。

第三種方法由亞琛的Fraunhofer激光技術(shù)研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT）率先提出�；钚圆牧鲜且环N具有矩形橫截面的摻鐿平行六面體晶體。泵浦二極管產(chǎn)生的熱量從頂部和底部表面提取，同時(shí)激光束以多程排列放大。脈沖能量隨著光束直徑的增加而增加，從而使晶體表面保持恒定的注量。使用這種技術(shù)，可以可靠地實(shí)現(xiàn)高效率和高能耗。單側(cè)散熱可能會(huì)導(dǎo)致光束產(chǎn)生一些像散，在激光設(shè)計(jì)中必須仔細(xì)考慮這些像散。多年來，板坯技術(shù)已被轉(zhuǎn)移到多家工業(yè)公司，如Ampliance、Amphos和Edgewave。

它提供幾十毫焦耳范圍內(nèi)的脈沖能量、飛秒運(yùn)行和高重復(fù)率，現(xiàn)在已成為工業(yè)環(huán)境中高平均功率運(yùn)行的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

第二次超快革命千瓦級(jí)飛秒激光器的日益普及，以及光束工程和應(yīng)用開發(fā)的進(jìn)步，意味著我們正處在超快激光加工發(fā)展新階段的邊緣。通過將高精度微處理技術(shù)引入大規(guī)模環(huán)境，未來幾年將開辟新的市場(chǎng)和應(yīng)用。

例如，Tresclean項(xiàng)目正在探索超快激光在家用電器（如洗碗機(jī)）上制造抗菌表面的潛力。該項(xiàng)目展示了大型金屬模具的高速紋理，賦予表面新的功能，然后可以轉(zhuǎn)移到最終制造的零件。

在另一個(gè)例子中，多點(diǎn)項(xiàng)目正在開發(fā)一個(gè)高功率、超快激光處理系統(tǒng)，用于在航空航天工業(yè)中制造混合層流控制（HLFC）結(jié)構(gòu)的大型鈦板的高通量微鉆孔。

在顯示行業(yè)，高功率、綠色或紫外線飛秒激光器的可用性為高效切割和加工尺寸和復(fù)雜性不斷增加的AMOLED屏幕提供了新的視角。

從長遠(yuǎn)來看，高平均功率飛秒激光器是半導(dǎo)體計(jì)量中產(chǎn)生極端紫外輻射的理想光源。高能、高功率激光產(chǎn)生的x射線可用于先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用。

在工業(yè)激光器制造商、技術(shù)和研究中心以及組件制造商的合作下，超快激光加工仍有光明的前景。

大功率運(yùn)行的光束工程

僅高平均功率激光器的可用性不足以保證高燒蝕效率和大規(guī)模微處理。以高重復(fù)率、高平均功率激光照射材料意味著，即使單個(gè)脈沖、超快相互作用的余熱沉積非常低，脈沖之間的熱量逐漸累積也會(huì)導(dǎo)致不必要的熱效應(yīng)，嚴(yán)重降低加工質(zhì)量，并否定超快激光加工的好處。有兩種策略可以緩解熱量積聚。

如果可用的脈沖能量足夠高，光束可以被分成幾個(gè)平均功率可控的小波束。這允許通過增加光束數(shù)量來提高處理速度，同時(shí)保持每個(gè)光束的最佳處理質(zhì)量。在歐洲Multiflex項(xiàng)目框架內(nèi)，Amplitude和Fraunhofer ILT之間的合作旨在將千瓦平均功率的飛秒激光系統(tǒng)耦合到動(dòng)態(tài)分束系統(tǒng)。通過聲光調(diào)制器耦合衍射光學(xué)元件與主動(dòng)控制，可以在64 × 64網(wǎng)格中精確控制每個(gè)單獨(dú)的光束。

高效使用低能量、高重復(fù)率系統(tǒng)需要較高的掃描速度，以使光束不會(huì)在單個(gè)點(diǎn)上停留太長時(shí)間，并使材料上的平均功率密度保持較低。新一代多邊形掃描儀的掃描速度可達(dá)每秒數(shù)十米甚至數(shù)百米，消除了重要瓶頸。由于多邊形掃描儀僅以恒定速度在單個(gè)方向偏轉(zhuǎn)激光束，因此激光器和掃描頭之間的同步變得至關(guān)重要。激光器的先進(jìn)同步功能允許真正的“按需脈沖”操作，并為新的處理方法開辟了道路。

第二次超快革命千瓦級(jí)飛秒激光器的日益普及，以及光束工程和應(yīng)用開發(fā)的進(jìn)步，意味著我們正處在超快激光加工發(fā)展新階段的邊緣。通過將高精度微處理技術(shù)引入大規(guī)模環(huán)境，未來幾年將開辟新的市場(chǎng)和應(yīng)用。

例如，Tresclean項(xiàng)目正在探索超快激光在家用電器（如洗碗機(jī)）上制造抗菌表面的潛力。該項(xiàng)目展示了大型金屬模具的高速紋理，賦予表面新的功能，然后可以轉(zhuǎn)移到最終制造的零件。

在另一個(gè)例子中，多點(diǎn)項(xiàng)目正在開發(fā)一個(gè)高功率、超快激光處理系統(tǒng)，用于在航空航天工業(yè)中制造混合層流控制（HLFC）結(jié)構(gòu)的大型鈦板的高通量微鉆孔。

在顯示行業(yè)，高功率、綠色或紫外線飛秒激光器的可用性為高效切割和加工尺寸和復(fù)雜性不斷增加的AMOLED屏幕提供了新的視角。

從長遠(yuǎn)來看，高平均功率飛秒激光器是半導(dǎo)體計(jì)量中產(chǎn)生極端紫外輻射的理想光源。高能、高功率激光產(chǎn)生的x射線可用于先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用。

在工業(yè)激光器制造商、技術(shù)和研究中心以及組件制造商的合作下，超快激光加工仍有光明的前景。

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