超快激光的特點、應用及市場前景分析

  想必大家都聽過“飛秒激光治近視”這句廣告語，但相信很多人并不了解什么是飛秒激光，同樣的還有納秒激光、皮秒激光，這些奇怪的秒和我們常見的激光有什么不同呢?OFweek激光網就帶大家來解讀一下這幾種激光的特點及應用。

  實際上，納秒、皮秒、飛秒都是時間單位，1ns=10-9s，1ps=10-12s，1fs=10-15s。這個時間單位，表示的是一個激光脈沖的脈沖寬度，簡言之就是在如此短暫的時間內輸出一個脈沖激光。由于其輸出單脈沖時間非常非常短，因此這樣的激光稱為超快激光。當把激光能量集中在如此短的時間內，會獲得巨大的單脈沖能量和極高的峰值功率，在進行材料加工時，會很大程度上避免長脈寬、低強度激光造成材料熔化與持續蒸發現象(熱影響)，可以提高加工質量。

  在工業上，通常將激光分成連續波(CW)、準連續(QCW)、短脈沖(Q-Switched)、超短脈沖(Mode-Locked)四類。連續波以多模連續光纖激光器為，占據了當前工業市場的大部分份額，應用于切割、焊接、熔覆等領域，具有光電轉換率高、加工速度快等特點。準連續波又稱長脈沖，可產生ms～μs量級的脈沖，占空比為10%，這使得脈沖光具有比連續光高十倍以上的峰值功率，對于鉆孔、熱處理等應用來說非常有利。短脈沖指的是ns量級的脈沖，的應用于激光標刻、鉆孔、醫療、激光測距、二次諧波的產生、等領域。超短脈沖則是我們所說的超快激光，包括達到ps、fs量級的脈沖激光。

  當激光以皮秒、飛秒量級的脈沖時間作用到材料上時，會使加工效果發生變化。飛秒激光能聚焦到比頭發直徑還要小的空間區域內，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高出數倍，從而實現許多地球上所不存在的、其他的方法也無法得到極端物理條件。隨著脈沖能量急劇上升，高功率密度的激光脈沖能輕易地剝離外層電子，使電子脫離原子的束縛，形成等離子體。由于激光與材料相互作用的時間極短，等離子體還沒來得及將能量傳遞給周圍材料，就已經從材料表面被燒蝕掉，不會給周圍的材料帶來熱影響，因此超快激光加工也被稱為“冷加工”。同時，超快激光幾乎可加工所有的材料，包括金屬、半導體、鉆石、藍寶石、陶瓷、聚合物、復合材料和樹脂、光阻材料、薄膜、ITO膜、玻璃、太陽能電池片等等。

  憑借冷加工帶來的優勢，短脈沖與超短脈沖激光器走進了微納加工、精細激光醫療、精密鉆孔、精密切割等精密加工領域。由于超短脈沖能將加工能量極快地注入很小的作用區域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運動方式發生變化，避免了激光線性吸收、能量轉移和擴散等影響，從根本上改變了激光與物質相互作用機制，因此也成為非線性光學、激光光譜學、生物醫學、強場光學、凝聚態物理學等科研領域強有力的研究工具。

  相比飛秒激光，皮秒激光不需要為了放大而展寬和壓縮脈沖，因此皮秒激光器的設計相對簡單，成本效益更高，性能更可靠，并且已足以勝任當前市面上高精度、無應力的微細加工。但超快、是激光發展的兩大趨勢，飛秒激光在醫療、科研上也具有更大的優勢。未來很有可能發展出比飛秒激光更快的下一代超超快激光。

  超快激光在工業應用的歷史不長，是歐美等發達國家重點布局的激光應用熱點。目前，超快激光市場基本被國外公司主導，占據全球近90%的市場份額，但中國、科研機構及企業對超快激光非常重視，政策傾斜及企業加大投入攻克難點技術，正在追趕國際先進水平。清華大學、中科院物理所/光機所、華中科技大學等高校均在大力推進超快激光科研;以大族、華日、安揚、貝林等為的國內激光企業也在大力推進超快激光技術產業化。據悉，華日激光預計年內能實現飛秒激光器的量產，這將打破歐美在大功率超快激光領域的壟斷，帶動100億元規模以上超快激光裝備產業應用市場。皮秒、飛秒超快激光器國產化將推動國內應用商的使用成本降低至少30%-40%，未來市場可期。

  隨著德國“工業4.0”和“中國制造2025”的啟動發展，制造、智能制造、高精密制造的需求將增加，尤其是消費電子領域的快速發展，將帶來透明及半透明材料激光加工巨大的市場需求，是一個新的藍海市場。超快激光與先進微納加工技術將迎來新的發展機遇，預計到2020年超快激光器市場總額將超過15億美元。