聚焦激光產業(yè)熱門話題：超短脈沖激光器

隨著越來越多的企業(yè)舉身投入到工業(yè)激光器領域，加上工業(yè)激光器的尺寸在縮小，成本在降低，而規(guī)格參數(shù)卻在不斷擴大，超短脈沖激光器目前在工業(yè)激光器世界倍受矚目。在最近舉辦的慕尼黑光博會上，各種不同輸出規(guī)格的超短脈沖激光器令人耳目一新。

本文介紹的超短脈沖激光器被界定為脈沖長度小于1納秒或更短。眾所周知，激光器顯微加工要實現(xiàn)邊緣切割齊整，需要高性價比的產品，以及最關鍵的峰值功率強度。而這可以通過使用超短脈沖、超高脈沖、超小光斑尺寸或者綜合使用以上所有方式來實現(xiàn)。在這些條件達到最優(yōu)的時候，即使在波長“透明”的材料中也能實現(xiàn)邊緣切割齊整的加工要求，而這幾乎與波長無關。確切機制是很復雜的，而且仍存在一些爭議，但確實能產出邊緣切割齊整的激光加工零部件，而極少甚至完全不需要后期加工處理。

激光器不同的連續(xù)波意味著激光燈總是亮著，對于超短脈沖激光器來說，激光燈亮的時間相對極短。

比如，如果一個激光脈沖是100飛秒，那該激光器的重復率是100Hz，則該激光器實際開動的時間要比關閉的時間少多個數(shù)量級。實事求是地說，可以將坐標系統(tǒng)轉換成我們人類容易理解的坐標系。如果100飛秒轉換成1秒，在第一個脈沖后大約3.5年會有第二個脈沖，或者從另一方面說，激光關閉的時間比開著的時間長1億倍。

公司反饋

當準備寫這篇文章時，我們對表1和2中所列的所有公司的負責人做了一次問卷調查，并將他們的反饋相互關聯(lián)起來。雖然這絕不是一個完整的調查，但也包括了激光加工市場上的大部分主要參與者，在此也向沒包括在內的廠商表示歉意，同時非常歡迎你們的反饋。表中參與者被劃分為皮秒和飛秒激光器，雖然在某些情況下這兩者之間會有重合。表中的排名僅代表大多數(shù)標準產品線，盡管許多公司生產的定制系統(tǒng)的技術指標會超過表中所列的系統(tǒng)。

皮秒激光器

表1顯示了皮秒激光器的主要供應商。在大多數(shù)場景下，基本波長是1064毫米，通過使用多種不同的技術獲取。通常，商用上的可用輸出功率會達到50瓦，TRUMPF和Edgewave這樣的制造商能夠達到幾百瓦。大多數(shù)的被調查者表示，在幾乎所有場景下，每一步的第二和第三諧波的轉換效率在50%左右。一些供應商也提供了第四諧波，但這些往往非常昂貴，甚至與第三諧波比起來，光學降解非常快。

在表格的“優(yōu)點”和“計劃”欄中，包括了尺寸更小，功率更高，每次脈沖的頻率更高，脈沖長度更短以及成本更低。此外，一些供應商正尋求通過使用更快速的掃描器(這在試圖使用極高重復率時存在很大的限制)等應用工作來改進激光器之外的加工工藝，并為客戶的定制應用提供支持。這是極為關鍵的，因為擁有了世界上最好的激光器，并不意味著就會自動獲得最好的加工效果。同時還需要相應的優(yōu)良系統(tǒng)組成部件，如光學器件，掃描器以及軟件。

有趣的是，相干(Coherent)公司(年收入近10億美元)在去年收購了Lumera公司后，現(xiàn)在提供兩種貌似互相競爭的產品——Talisker和Lumera型號激光器。目前尚不清楚未來將是何種狀況，但目前來說，似乎Lumera激光器解決的是高功率和低功率的需求，而Talisker解決的是剩余的其它需求。

飛秒激光器

表2展示了主要的飛秒激光器供應商。所列的大多數(shù)供應商的輸出功率能夠達到25瓦，使用放大器技術后能夠達到幾百瓦?；úㄩL隨著基礎技術的不同而不同，大多數(shù)波長介于1028納米至1064納米，例外情況是大家都知道的Raydiance和Rofin。盡管使用更長的基波波長可能會帶來好處，但并不適合更高的諧波，因為即便是四倍的波長，波長仍然只有375微米，還不是紫外線范圍。在多數(shù)應用中，只要能夠獲得所需的光斑尺寸，這并不是問題。即便是在能夠100%完全吸收光子并且沒有熱影響區(qū)域的情形下，簡單的物理學也限制了使用紅外光子時能夠獲得的目標上的光斑尺寸，因此在這些情形下，需要最小的光斑尺寸，頻率轉換非常重要。

這張表中所列的大多數(shù)公司只制造飛秒激光器，他們的優(yōu)點中也列出了這一長期專長。盡管每一家公司都看重更低的成本，更高的功率和更小的尺寸，Spectra-Physics公司卻正在尋求“破壞性”的性能，為了能從同行中脫穎而出，這可能是必須的，盡管還在探索達到目標的方法。

表格中未涉及脈沖波形的時序和空間問題。擁有性能良好、界限明確、邊緣切割整齊的脈沖，而需要極少或不需要基座，這至關重要。圖1展示了一個不需要基座和底部的邊緣切割整齊的脈沖。此外，對于大多數(shù)應用來說，需要圓形高斯光束，如圖2所示。

關于“優(yōu)點”，一些公司表示他們并不只是提供激光器，而且提供全面的整體解決方案，意即不只是提供激光器，還提供光學器件和應用。這值得關注，因為很多情況下普通讀者并不清楚什么和例如400瓦的飛秒激光功率相匹配。此外，到底需要多短的脈沖，是否可以在不損害其它性能的情況下實現(xiàn)?例如，由于超短脈沖激光器(低于100飛秒)的大型帶寬，光學器件成了一個難題，特別是在聚焦小型光斑時。因此，使用150-200飛秒范圍內的脈沖可能更好，這對于多數(shù)應用來說已經(jīng)“足夠短”了，而且還不必費力地應對光學問題。這類激光器市場包括醫(yī)療器械制造，玻璃、藍寶石及其它質地堅硬物質以及易碎物質的切割和刻痕，以及航空應用。

其它需要考慮的因素

最后，必須考慮訂貨至交貨的時間以及成本，包括資本成本和運營成本，由于需要考慮的方面很多而未一一列出，包括期權、匯率和折扣。但是，上述大多數(shù)激光器的成本在2500，00美元至350，000美元之間，激光器的功率越大(或超短脈沖激光器)成本越高。運營成本難以確定，但肯定會高于納秒激光器。標準產品的訂貨至交貨時間從8周至10周不等，大功率產品則可能超過6個月。另外一方面，一些皮秒激光器在價格方面尤其具有吸引力。例如，Ekspla公司和Attodyne公司認為其產品比同類產品相比的優(yōu)勢在于成本要低1/3。這使得其成本極為接近納秒激光器，而且很明顯成本差異將迅速消失。因此，對于大多數(shù)微加工應用來說，尚不清楚今后有無必要使用納秒激光器，特別是在成本差異可以忽略不計的情況下。(作者：RonaldD.Schaeffer博士，PhotoMachining公司首席執(zhí)行官)