想必大家都聽過(guò)“飛秒激光治近視”這句廣告語(yǔ)，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？今天OFweek激光網(wǎng)就帶大家來(lái)解讀一下這幾種激光的特點(diǎn)及應(yīng)用。
實(shí)際上，納秒、皮秒、飛秒都是時(shí)間單位，1ns＝10-9s，1ps＝10－12s，1fs＝10－15s。這個(gè)時(shí)間單位，表示的是一個(gè)激光脈沖的脈沖寬度，簡(jiǎn)言之就是在如此短暫的時(shí)間內(nèi)輸出一個(gè)脈沖激光。由于其輸出單脈沖時(shí)間非常非常短，因此這樣的激光稱為超快激光。當(dāng)把激光能量集中在如此短的時(shí)間內(nèi)，會(huì)獲得巨大的單脈沖能量和極高的峰值功率，在進(jìn)行材料加工時(shí)，會(huì)很大程度上避免長(zhǎng)脈寬、低強(qiáng)度激光造成材料熔化與持續(xù)蒸發(fā)現(xiàn)象（熱影響），可以大大提高加工質(zhì)量。
在工業(yè)上，通常將激光分成連續(xù)波（CW）、準(zhǔn)連續(xù)（QCW）、短脈沖（Q－Switched）、超短脈沖（Mode－Locked）四類。連續(xù)波以多模連續(xù)光纖激光器為代表，占據(jù)了當(dāng)前工業(yè)市場(chǎng)的大部分份額，廣泛應(yīng)用于切割、焊接、熔覆等領(lǐng)域，具有光電轉(zhuǎn)換率高、加工速度快等特點(diǎn)。準(zhǔn)連續(xù)波又稱長(zhǎng)脈沖，可產(chǎn)生ms～μs量級(jí)的脈沖，占空比為10％，這使得脈沖光具有比連續(xù)光高十倍以上的峰值功率，對(duì)于鉆孔、熱處理等應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常有利。短脈沖指的是ns量級(jí)的脈沖，廣泛的應(yīng)用于激光標(biāo)刻、鉆孔、醫(yī)療、激光測(cè)距、二次諧波的產(chǎn)生、軍事等領(lǐng)域。超短脈沖則是我們所說(shuō)的超快激光，包括達(dá)到ps、fs量級(jí)的脈沖激光。
當(dāng)激光以皮秒、飛秒量級(jí)的脈沖時(shí)間作用到材料上時(shí)，會(huì)使加工效果發(fā)生顯著變化。飛秒激光能聚焦到比頭發(fā)直徑還要小的空間區(qū)域內(nèi)，使電磁場(chǎng)的強(qiáng)度比原子核對(duì)其周圍電子的作用力還要高出數(shù)倍，從而實(shí)現(xiàn)許多地球上所不存在的、其他的方法也無(wú)法得到極端物理?xiàng)l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(shí)間極短，等離子體還沒(méi)來(lái)得及將能量傳遞給周圍材料，就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉，不會(huì)給周圍的材料帶來(lái)熱影響，因此超快激光加工也被稱為“冷加工”。同時(shí)，超快激光幾乎可加工所有的材料，包括金屬、半導(dǎo)體、鉆石、藍(lán)寶石、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料和樹脂、光阻材料、薄膜、ITO膜、玻璃、太陽(yáng)能電池片等等。
憑借冷加工帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，短脈沖與超短脈沖激光器走進(jìn)了微納加工、精細(xì)激光醫(yī)療、精密鉆孔、精密切割等精密加工領(lǐng)域。由于超短脈沖能將加工能量極快地注入很小的作用區(qū)域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，避免了激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散等影響，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制，因此也成為非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、強(qiáng)場(chǎng)光學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)等科研領(lǐng)域強(qiáng)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(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本效益更高，性能更可靠，并且已足以勝任當(dāng)前市面上高精度、無(wú)應(yīng)力的微細(xì)加工。但超快、超強(qiáng)是激光發(fā)展的兩大趨勢(shì)，飛秒激光在醫(yī)療、科研上也具有更大的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)很有可能發(fā)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(yè)應(yīng)用的歷史不長(zhǎng)，是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家重點(diǎn)布局的激光應(yīng)用熱點(diǎn)。目前，超快激光市場(chǎng)基本被國(guó)外公司主導(dǎo)，占據(jù)全球近90％的市場(chǎng)份額，但中國(guó)政府、科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)對(duì)超快激光非常重視，政策傾斜及企業(yè)加大投入攻克難點(diǎn)技術(shù)，正在追趕國(guó)際先進(jìn)水平。清華大學(xué)、中科院物理所／光機(jī)所、華中科技大學(xué)等高校均在大力推進(jìn)超快激光科研；以大族、華日、安揚(yáng)、貝林等為代表的國(guó)內(nèi)激光企業(yè)也在大力推進(jìn)超快激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。據(jù)悉，華日激光預(yù)計(jì)年內(nèi)能實(shí)現(xiàn)飛秒激光器的量產(chǎn)，這將打破歐美在大功率超快激光領(lǐng)域的壟斷，帶動(dòng)100億元規(guī)模以上超快激光裝備產(chǎn)業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)。皮秒、飛秒超快激光器國(guó)產(chǎn)化將推動(dòng)國(guó)內(nèi)應(yīng)用商的使用成本降低至少30％－40％，未來(lái)市場(chǎng)可期。
隨著德國(guó)“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”的啟動(dòng)發(fā)展，高端制造、智能制造、高精密制造的需求將顯著增加，尤其是消費(fèi)電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，將帶來(lái)透明及半透明材料激光加工巨大的市場(chǎng)需求，是一個(gè)新的藍(lán)海市場(chǎng)。超快激光與先進(jìn)微納加工技術(shù)將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，預(yù)計(jì)到2020年超快激光器市場(chǎng)總額將超過(guò)15億美元。 |
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