超快激光的特点、应用及市场前景分析

来源:OFweek激光网

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关键词:超快 激光器

    想必大家都听过“飞秒激光治近视”这句广告语,但相信很多人并不了解什么是飞秒激光,同样的还有纳秒激光、皮秒激光,这些奇怪的秒和我们常见的激光有什么不同呢?今天OFweek激光网就带大家来解读一下这几种激光的特点及应用。

    实际上,纳秒、皮秒、飞秒都是时间单位,1ns=10-9s,1ps=10-12s,1fs=10-15s。这个时间单位,表示的是一个激光脉冲的脉冲宽度,简言之就是在如此短暂的时间内输出一个脉冲激光。由于其输出单脉冲时间非常非常短,因此这样的激光称为超快激光。当把激光能量集中在如此短的时间内,会获得巨大的单脉冲能量和极高的峰值功率,在进行材料加工时,会很大程度上避免长脉宽、低强度激光造成材料熔化与持续蒸发现象(热影响),可以大大提高加工质量。

    在工业上,通常将激光分成连续波(CW)、准连续(QCW)、短脉冲(Q-Switched)、超短脉冲(Mode-Locked)四类。连续波以多模连续光纤激光器为代表,占据了当前工业市场的大部分份额,广泛应用于切割、焊接、熔覆等领域,具有光电转换率高、加工速度快等特点。准连续波又称长脉冲,可产生ms~μs量级的脉冲,占空比为10%,这使得脉冲光具有比连续光高十倍以上的峰值功率,对于钻孔、热处理等应用来说非常有利。短脉冲指的是ns量级的脉冲,广泛的应用于激光标刻、钻孔、医疗、激光测距、二次谐波的产生、军事等领域。超短脉冲则是我们所说的超快激光,包括达到ps、fs量级的脉冲激光。

    超快激光的特点、应用及市场前景分析

    当激光以皮秒、飞秒量级的脉冲时间作用到材料上时,会使加工效果发生显著变化。飞秒激光能聚焦到比头发直径还要小的空间区域内,使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高出数倍,从而实现许多地球上所不存在的、其他的方法也无法得到极端物理条件。随着脉冲能量急剧上升,高功率密度的激光脉冲能轻易地剥离外层电子,使电子脱离原子的束缚,形成等离子体。由于激光与材料相互作用的时间极短,等离子体还没来得及将能量传递给周围材料,就已经从材料表面被烧蚀掉,不会给周围的材料带来热影响,因此超快激光加工也被称为“冷加工”。同时,超快激光几乎可加工所有的材料,包括金属、半导体、钻石、蓝宝石、陶瓷、聚合物、复合材料和树脂、光阻材料、薄膜、ITO膜、玻璃、太阳能电池片等等。

    凭借冷加工带来的优势,短脉冲与超短脉冲激光器走进了微纳加工、精细激光医疗、精密钻孔、精密切割等精密加工领域。由于超短脉冲能将加工能量极快地注入很小的作用区域,瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化,避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等影响,从根本上改变了激光与物质相互作用机制,因此也成为非线性光学、激光光谱学、生物医学、强场光学、凝聚态物理学等科研领域强有力的研究工具。

    相比飞秒激光,皮秒激光不需要为了放大而展宽和压缩脉冲,因此皮秒激光器的设计相对简单,成本效益更高,性能更可靠,并且已足以胜任当前市面上高精度、无应力的微细加工。但超快、超强是激光发展的两大趋势,飞秒激光在医疗、科研上也具有更大的优势。未来很有可能发展出比飞秒激光更快的下一代超超快激光。

    超快激光在工业应用的历史不长,是欧美等发达国家重点布局的激光应用热点。目前,超快激光市场基本被国外公司主导,占据全球近90%的市场份额,但中国政府、科研机构及企业对超快激光非常重视,政策倾斜及企业加大投入攻克难点技术,正在追赶国际先进水平。清华大学、中科院物理所/光机所、华中科技大学等高校均在大力推进超快激光科研;以大族、华日、安扬、贝林等为代表的国内激光企业也在大力推进超快激光技术产业化。据悉,华日激光预计年内能实现飞秒激光器的量产,这将打破欧美在大功率超快激光领域的垄断,带动100亿元规模以上超快激光装备产业应用市场。皮秒、飞秒超快激光器国产化将推动国内应用商的使用成本降低至少30%-40%,未来市场可期。

    随着德国“工业4.0”和“中国制造2025”的启动发展,高端制造、智能制造、高精密制造的需求将显著增加,尤其是消费电子领域的快速发展,将带来透明及半透明材料激光加工巨大的市场需求,是一个新的蓝海市场。超快激光与先进微纳加工技术将迎来新的发展机遇,预计到2020年超快激光器市场总额将超过15亿美元。


    (审核编辑: 智汇胡妮)