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)激光器現在達到了千瓦級。我們正處在飛秒技術的轉折點，這將使新的使用領域和新的生產方法成為可能。高激光功率和相關的光束工程能夠顯著提高工業(yè)生產率，并打開進入航空、能源和移動等大型新市場的大門。

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90年代中期以來，它們的兩個特征已被證明對材料加工有很大的影響。它們的短脈沖持續(xù)時間和相關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。實際上，這意味著激光與物質的相互作用在材料中產生任何熱量之前就結束了，這提供了一個幾乎無熱的過程。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，例如裂紋形成或表面熔化。

最初可用的激光源是復雜且昂貴的系統(tǒng)，因此主要局限于實驗室領域。工業(yè)應用不得不等到21世紀初，當時激光的強烈發(fā)展導致了適合工業(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，即薄圓盤、光纖和平板，至今仍在使用。利用鐿作為活性物質，它們構成了當今工業(yè)應用的基礎。

提高平均激光功率是“宏觀”加工市場的關鍵。

隨著激光技術的成熟，一個價值10億美元的市場逐漸出現，圍繞著一個由激光制造商、系統(tǒng)集成商、技術中心和研究機構組成的生態(tài)系統(tǒng)，以歐洲為核心，影響著人類活動的各個環(huán)節(jié)。在醫(yī)學領域，lasik等視力矯正應用迅速擴展，白內障手術等新手術也迅速跟進。超快激光修復了復雜OLED顯示屏上的微小缺陷，后來被用于切割相同的屏幕。它們現在是所有現代智能手機制造中必不可少的部件。開發(fā)了新的創(chuàng)新標記應用，如消費電子設備的深黑色美學標記，或在玻璃內部刻上隱形代碼，以滿足制藥行業(yè)的可追溯性和防偽需求。進一步的激光和應用開發(fā)現在可以實現鉆孔和高精度切割，以及復雜的表面紋理，例如在豪華手表制造行業(yè)。其他進展，如玻璃或不同材料的微焊接，或用激光和化學蝕刻技術在玻璃上制造復雜的三維結構，都擴大了應用范圍。

通往高權力之路

盡管這些應用程序多種多樣，但它們有著共同的特點。它們需要微米級的分辨率，通常覆蓋非常小的區(qū)域，通常只有幾平方毫米。一個飛秒脈沖將去除少量具有極高精度的材料，導致相當有限的燒蝕效率，在大多數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間內獲得更大的加工量，正如我們將看到的那樣，有潛力打開新市場。

Tresclean項目（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脈沖中包含的能量來實現，也可以通過增加每秒的脈沖數，即激光的重復頻率來實現。

在過去幾十年中，提高激光器的平均功率一直是工業(yè)應用發(fā)展的關鍵驅動力。當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）和高重復率（通常為10 kHz至數MHz）的激光器。提高燒蝕率，為飛秒激光加工開辟新市場，需要將激光功率提高一個數量級。

目前工業(yè)激光器中的活性材料——鐿離子，對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強度來獲得足夠的增益，以實現高效的激光工作。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現，但由于泵浦對激光的轉換效率并不完美，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都需要從激光放大器中有效提取熱量，同時為激光操作保持足夠的增益。多年來已開發(fā)出三種技術替代方案，并證明了它們在大功率運行中的能力。

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，安裝在一個非常高效的散熱片上，以實現最佳提取。此外，激光光斑保持相當大，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量。這種方法的另一個優(yōu)點是，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在焦耳水平上的輸出能量，與通常用于材料加工應用的數百微焦耳進行了比較。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計以及更復雜的激光設計的復雜泵浦配置可以部分避免這一缺點。在振幅與斯圖加特大學für Strahlwerkzeuge研究所（IFSW）的合作中，一臺千瓦級激光器在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的重復率提供了1 mJ的脈沖，脈沖持續(xù)時間為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。直接的好處是，要提取的熱量沿著纖維長度分布在一個大面積上，因此可以相當容易地去除。因此，與其他方法相比，實現高平均功率相對容易。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量，光纖芯需要單橫模操作。這對光學設計提出了嚴格的要求，而傳統(tǒng)的光纖制造技術無法滿足這一要求。只有具有大摻雜纖芯和泵浦光有效耦合的微結構光纖的出現，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脈沖的可用能量。

早在2010年，耶拿大學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的重復頻率提供10.6µJ、640 fs的脈沖。在最近的一項工程壯舉中，同一團隊通過12個獨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。泵浦二極管產生的熱量從頂部和底部表面提取，同時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，可以可靠地實現高效率和高能耗。單側散熱可能會導致光束產生一些像散，在激光設計中必須仔細考慮這些像散。多年來，板坯技術已被轉移到多家工業(yè)公司，如Ampliance、Amphos和Edgewave。

它提供幾十毫焦耳范圍內的脈沖能量、飛秒運行和高重復率，現在已成為工業(yè)環(huán)境中高平均功率運行的事實標準。

第二次超快革命千瓦級飛秒激光器的日益普及，以及光束工程和應用開發(fā)的進步，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引入大規(guī)模環(huán)境，未來幾年將開辟新的市場和應用。

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

在另一個例子中，多點項目正在開發(fā)一個高功率、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）結構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雜性不斷增加的AMOLED屏幕提供了新的視角。

從長遠來看，高平均功率飛秒激光器是半導體計量中產生極端紫外輻射的理想光源。高能、高功率激光產生的x射線可用于先進的醫(yī)學成像應用。

在工業(yè)激光器制造商、技術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。以高重復率、高平均功率激光照射材料意味著，即使單個脈沖、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導致不必要的熱效應，嚴重降低加工質量，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平均功率可控的小波束。這允許通過增加光束數量來提高處理速度，同時保持每個光束的最佳處理質量。在歐洲Multiflex項目框架內，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)耦合到動態(tài)分束系統(tǒng)。通過聲光調制器耦合衍射光學元件與主動控制，可以在64 × 64網格中精確控制每個單獨的光束。

高效使用低能量、高重復率系統(tǒng)需要較高的掃描速度，以使光束不會在單個點上停留太長時間，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每秒數十米甚至數百米，消除了重要瓶頸。由于多邊形掃描儀僅以恒定速度在單個方向偏轉激光束，因此激光器和掃描頭之間的同步變得至關重要。激光器的先進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飛秒激光器的日益普及，以及光束工程和應用開發(fā)的進步，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引入大規(guī)模環(huán)境，未來幾年將開辟新的市場和應用。

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

在另一個例子中，多點項目正在開發(fā)一個高功率、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）結構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雜性不斷增加的AMOLED屏幕提供了新的視角。

從長遠來看，高平均功率飛秒激光器是半導體計量中產生極端紫外輻射的理想光源。高能、高功率激光產生的x射線可用于先進的醫(yī)學成像應用。

在工業(yè)激光器制造商、技術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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