超快激光器是指輸出激光的脈寬在皮秒（10^-12 s）級別或小于皮秒級別的脈沖激光器，是激光器按照能量輸出波形進行分類的一種。激光器有多種分類方法，其中的分類方法有四種，包括以工作物質(zhì)分類、以能量輸出波形（工作方式）分類、以輸出波長（顏色）分類、以功率大小分類等。

在時間域內(nèi)：1 ns=10^-9s，1ps=10^-12 s，1fs=10^-15 s；

在空間域內(nèi)：1 fs內(nèi)，光在真空中走過的距離為3×10^-10 m，即0.3 μm；

納秒激光器技術(shù)：DPSS、光纖；

氣體激光器：CO2、Excimer、CO、N2；

超快激光器鎖模技術(shù)的發(fā)展：

飛秒激光真的是冷加工嗎？

不一定，這與參數(shù)相關(guān)。

材料加工的基本原理是工具與被加工材料化學(xué)鍵強度的比拼。上圖所示為一個長脈沖激光和飛秒激光，對同一個材料加工呈現(xiàn)的不同狀態(tài)。能量在粒子、原子、分子之間的傳遞，根據(jù)強度的不同，傳遞時間分別在納秒和十幾個飛秒之間，這就決定了飛秒激光加工時近乎冷加工。

上圖所示為光譜物理使用飛秒激光器在切割有機材質(zhì)的心血管支架時所做實驗。右邊圖示顯示的是綠色區(qū)域，即沒有熱影響區(qū)的，紅色區(qū)域為有熱影響區(qū)的。橫坐標為頻率，縱坐標為重疊率。該圖說明，在一定時間內(nèi)注入的即使是飛秒激光，但是能量多了，也就是頻率增加之后，仍會產(chǎn)生左圖所示的熱影響區(qū)，甚至是材料的熔化。

飛秒激光在PCD、OLED、脆性材料上的應(yīng)用

精密切削刀具用PCD加工

超硬材料（Superhard Material）是指硬度特別高的材料，可分為天然以及人造兩種。超硬材料如PCD、CVD通常用作精密切削刀具，需要非常有彈性的技術(shù)來做精密加工。對加工技術(shù)要求高產(chǎn)出；高品質(zhì)：形狀可控、表面粗糙度低（<0.1 μm）；熱影響區(qū)小。飛秒激光熱影響小，具備無磨損、無應(yīng)力、幾何形狀靈活、與材料的不相關(guān)性等優(yōu)勢。

從速度上來說，下圖所示為使用100 W 功率的Spirit 1030-100激光器切割0.2 mm厚的PCD材料，切割速度>6 mm/s，材料去除率6 mm³/min。

下圖為切割0.5 mm PCD，呈現(xiàn)的20倍與50倍的顯微圖像，切割速度可達1.2 mm/s，可以看到切割邊緣非常光滑。

與傳統(tǒng)加工工藝相比，超快脈沖激光加工出的刀具邊緣鋒利度遠超其他工藝。

OLED 材料

隨著柔性電子產(chǎn)品的興起，柔性基材如OLED對加工工藝也提出了更高要求。

對于柔性基材來說，需要具備：

·柔性：剛度vs厚度；

·機械、化學(xué)、幾何穩(wěn)定性；

·抗化學(xué)腐蝕；

·低的氧和濕氣透過性；

·表面粗糙度和透光性（用于底部發(fā)光體）。

沒有哪種材料能夠同時滿足所有要求，因此需要多層或復(fù)合材料。可以用于OLED的聚合物材料包括：PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）、PC（聚碳酸酯）、PI（聚酰亞胺、卡普頓）、PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）、PES（聚醚砜）。超快激光器的加工能力與材料沒有相關(guān)度，同時加工后材料特性不會改變。

如下圖所示，用100 W fs Spirit分別加工聚亞酰胺和聚酯材料，切割速度分別為>800 mm/s和>1200 mm/s。

圖 使用100 W fs Spirit切割聚亞酰胺（左）使用100 W fs Spirit加工聚酯材料（右）

皮秒激光器在工業(yè)加工中的應(yīng)用

以下所示應(yīng)用以使用Spectra-Physics-MKS IceFyreTM 1064-50A加工為例。

氧化鋁劃線、切割

·熱影響區(qū)很小甚至沒有

·切割200 μm 厚氧化鋁陶瓷的速度20 mm/s

·未*優(yōu)化條件下

薄玻璃鉆孔

·康寧Willow玻璃，厚度~200 μm，孔直徑10 mm

·切割時間：2.5 s

·側(cè)壁粗糙度R_a<1μm

藍寶石片切割

·厚度=375 ，直徑=5 mm，切割時間：6.5 s

·厚度=150 μm，直徑=5 mm，切割時間：~1.5 s，側(cè)壁粗糙度R_a< 1.5 μm

·在犧牲一定速度情況下，可以達到更低的粗糙度0.5-1 μm

0.5 mm厚非化學(xué)強化玻璃

·左下的顯微圖像顯示了優(yōu)化參數(shù)后的側(cè)壁質(zhì)量

·右邊的三維圖顯示側(cè)壁粗糙度非常小，R_a～0.66 μm

·速度在1 m/s時

·皮秒TimeShift技術(shù)的優(yōu)勢：2-4個子脈沖的脈沖串可以達到的切割效果

0.7 mm厚非化學(xué)強化玻璃

·顯微圖所示是用IceFyre 1064-50激光器在速度為1000 mm/s時切割的0.7 mm厚非化學(xué)強化玻璃（子脈沖個數(shù)為2）

·左圖所示為激光入射面，中間為出射面裂片后圖片，切割結(jié)果：一致性很好邊緣崩邊量很小（出射面質(zhì)量與入射面相似）

·右圖為側(cè)壁圖，整個側(cè)面從上到下的粗糙度非常一致，粗糙度R_a值在~0.5-0.6 μm間

紫外皮秒激光器

柔性印刷電路板（FPC）、純LCP

·用于自由射頻電路（5G手機）、高速數(shù)據(jù)傳輸（USB3.0）的LCP（液晶聚合物）

·與當前納秒DPSS 355 nm激光切割工藝對比

·挑戰(zhàn)：熱效應(yīng)和切割速度

·基于皮秒TimeShit技術(shù)的工藝對提高速度大有益處

Strategies Unlimited 對2018年激光器應(yīng)用市場分布與收入的統(tǒng)計如下圖所示。目前從各大上市公司所公布數(shù)據(jù)來看，工業(yè)激光器有可能會呈現(xiàn)負增長。超快激光現(xiàn)已在生物醫(yī)療、材料加工、光譜學(xué)、成像、科研及其它領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，各大預(yù)測機構(gòu)預(yù)測超快激光近三年來的復(fù)合增長率超過20%。

從應(yīng)用領(lǐng)域來說，在生物醫(yī)療領(lǐng)域，超快激光將包括眼科手術(shù)，激光美容如美膚、去紋身、去毛發(fā)等；在材料加工行業(yè)，因超快激光能達到的精度及極小的熱影響區(qū)，必將在熱敏感材料的加工中發(fā)揮其優(yōu)勢，如切割、打孔、材料去除、光刻、3D打印等，尤其在微細加工中應(yīng)用優(yōu)勢；超快激光適用于脆性透明材料、超硬材料、貴金屬等加工。

未來，超快激光市場仍將以北美、歐洲和亞太為主，中國也將成為主要的增長市場。《2019中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告精編版》對于中國超快激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，從4個方面進行了分析：

·政策環(huán)境：國家政策戰(zhàn)略性的描繪出未來我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，由初級、低端邁向中的發(fā)展規(guī)劃。另外《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》等政策進一步鼓勵動力電池發(fā)展經(jīng)濟環(huán)境，帶動了超快激光器的發(fā)展。進入2018年以來，中美貿(mào)易戰(zhàn)持續(xù)升溫，部分激光產(chǎn)業(yè)鏈上游部分元器件、輔助設(shè)備被列入美國對華加稅清單，負面影響覆蓋金屬加工、印制電路版等領(lǐng)域，特別是對消費電子領(lǐng)域的激光精密加工設(shè)備廠商，原材料成本會受影響。

·經(jīng)濟環(huán)境：中國作為消費品行業(yè)的“生產(chǎn)熱點地區(qū)”，聚集著大量的電子制造、集成電路、醫(yī)療、通信、IT 等產(chǎn)業(yè)集群，這些消費市場正呈現(xiàn)“爆發(fā)式”的增長，并且?guī)泶罅康募す鈶?yīng)用潛力。

·社會環(huán)境：智能手機的普及化和爆發(fā)式增長，使得消費者對智能手機品質(zhì)的要求越來越高，其相關(guān)的配件加工也越來越精密化。醫(yī)療設(shè)備是具有高附加值的產(chǎn)品，在質(zhì)量方面要求嚴格，通常要求采用挑戰(zhàn)性的工業(yè)制造工藝。基于這些原因，超快激光器在醫(yī)療設(shè)備制造領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。

·技術(shù)環(huán)境：以“冷加工”技術(shù)為代表的高精密加工技術(shù)正在中國得到飛速發(fā)展，大大促進了固體激光器、超快激光器在精細微加工領(lǐng)域如消費電子用芯片、高分子材料、軟硬電路板切割領(lǐng)域；精細打標如高分子材料和透明材料打標、特種金屬表面處理和3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用。超快激光技術(shù)的進步將促使超快激光器向平均功率更高、重復(fù)率更高以及尺寸更小的方向發(fā)展，這意味著越來越多的新應(yīng)用將具有經(jīng)濟競爭力，在未來的制造工藝中發(fā)揮重要的作用。

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