激光技術引領加工製造 應用細分化前景廣闊

激光又被人們稱為「最快的刀」、「最準的尺」。近年來，激光產業的蓬勃發展備受矚目，激光加工卓越的優勢已吸引了光通信、汽車製造、造船、冶金、航空航天、新能源、模具製造、醫療器械、半導體產業等產業的關注，並紛紛引進激光加工技術，在各種工序上發揮了至關重要的作用。

目前熱門的研究方向概括一下有三個：

波長擴展：中紅外；

高功率；

短脈衝。

常規參數的激光器也不是沒有研發空間，比如使用一些新材料、新結構或開展應用工作。

1.先說中紅外：

因為中紅外波段的瑞利散射較弱，因此比較適合作為遠距離空間通信的光源，特別是3.5~5.5um波段的大氣窗口，缺乏增益介質，非線性頻率變換也比較難做，是研究較熱的一個方向。

還有就是該波段是許多分子的振動、轉動能級，可利用吸收譜線對其進行分子識別。

獲得中紅外波段激光，目前研究較熱的有個叫量子級聯激光器的方向，複合一個電子同時，發射多個中紅外波段的光子，而且波長可調諧，甚至可達到太赫茲，目前已有瓦級的商品化激光器。

此外，鉛鹽半導體也可利用俄歇效應輻射中紅外激光，缺點是需要低溫製冷。

而光纖激光器，還有二極體泵浦固態激光器（所謂DPSSL），波長取決於選擇的增益介質，目前還很難得到3um以上的紅外，主要是多聲子馳豫影響激光的產生。目前主要是2um波段的摻銩、摻鈥光纖全固態激光器。

還有就是差頻、OPO、OPA、OPCPA光源了，目前多以PPLN、PPLT、碳化硅SiC、KTP作參量晶體。

OPO調諧範圍寬，可實現較高平均功率（>4W），商品化較成熟。

OPA、OPCPA的優點是單脈衝能量大。目前已有逆天的20mJ、20fs、20Hz的3.9um光源：（奧地利 維也納技術大學的Baltuska課題組）

不過這麼逆天參數當然離不開龐大的系統：

2.高功率方面，主要衝著工業領域、軍工領域去的。

CO2激光器目前仍是主流技術，產品非常成熟，不鼓勵去。

此外主要是光纖和板條、薄片激光器。

高功率激光的難點說白了就是散熱，那麼只有增大增益介質的表面體積比，而光纖、板條、薄片無非是增大散熱面的兩種路線。

由於光纖通過相干合束可以成倍提昇平均功率，因此可以達到高達萬瓦量級的功率輸出。這方面主要是公司在引領潮流，大學研究所多為百瓦、千瓦級別，工業界和科研界已有相當的差距。

高功率光纖方面，國外公司主要有IPG、Rofin（被Coherent收購）等。

以IPG為例：

一個模塊1kW，放一起合束一下，想要2萬瓦？有！~~想要10萬瓦？有！~~

這是2013年ASSL會議上報道的10萬瓦1070nm光纖激光器。國內公司主要有瑞科等。

薄片激光器，科研單位同樣是做不過公司，如下是Trumpf的16kW薄片激光器鏡組：

（泵光多次往返激發增益介質。）

不同於光纖激光器，大功率薄片激光器是將多個二極體泵浦的晶體薄片串聯在一個諧振腔里，通過設計大模場的腔模式，與光纖激光器相比優點是可以運作在大能量上，而光纖運行在大能量模式上則難免造成較強的B積分，影響光束質量。

板條激光器：

板條激光器和薄片激光器的一點點差別在於，板條多為側面泵浦或角泵浦。優點是工藝成熟，體積小，級聯容易，缺點是光束整形難度高，比較難以得到較高品質因子的激光放大。板條也可達到萬瓦級，是目前和化學激光器一樣，是激光武器的主流。

從工業應用角度看，主要是因為脈寬越短，加工時間內的熱擴散越小，加工精度高，不容易傷及無辜。

飛秒光與納秒光的加工對比圖：（德國漢諾威激光中心提供）

（a）200fs，120uJ (b) 3.3ns, 1mJ

飛秒光刻：（透明材料中加工光波導）

還有飛秒激光做眼科手術，同樣是加工精度高，制瓣速度快，切割平整。

醫學中的應用還有多光子顯微鏡和OCT。

圖為雙光子熒光和三次諧波技術結合的神經細胞圖像。綠的是細胞核，紫的是細胞邊緣。激光中心波長810nm。

此外就是科研中的應用。

飛秒化學啊、阿秒激光啦、光學頻率梳啦、強場物理啊、激光粒子加速器啊、太赫茲源啊……應用相當廣泛，每個都夠寫幾百頁，恕我不能展開了。

單純研究超快激光器的話也有許多工作可以做，比如前面提到的光纖、薄片激光器，通過和超短脈衝技術的結合都已做到逆天的參數。

傳統的CPA、OPCPA技術就不介紹了，目前發展主要瞄準高峰值功率、高平均功率、短脈衝、極紫外、中紅外幾個方向，而以上幾個亮點相融合的工作，則受到高度重視。

例如前面提到的光纖和薄片，結合飛秒脈衝以及光譜展寬技術，各自實現了高平均功率的周期量級光脈衝。

這是2016年Jena 耶拿大學Tunnermann課題組的工作，通過級聯的光譜展寬，利用660W的光纖放大光，經啁啾鏡壓縮後實現了216W、6.3fs的脈衝輸出，重頻127MHz。這個脈寬即使和常規的鈦寶石展寬壓縮後的脈寬相比，也毫不遜色。

像我這些做傳統鈦寶石CPA的表示——人比人得死，貨比貨得扔！~~ 這是腿哥Oleg Pronin和我師兄張金偉做的薄片激光器：

通過光子晶體光纖進行光譜展寬，在90W、250fs入射下，獲得了50W、19fs的壓縮結果。光譜覆蓋6.8~16.4um，也是不到兩個周期。 超短脈衝激光方面，依然是光學領域的研究熱點之一。不論是大能量、高功率、短脈衝還是頻率擴展等等，仍有很大研究發展的空間和應用價值，歡迎有志青年入坑~~

（來源：中國光電網）

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