聚焦激光產(chǎn)業(yè)熱門(mén)話題：超短脈沖激光器

隨著越來(lái)越多的企業(yè)舉身投入到工業(yè)激光器領(lǐng)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(kuò)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(huì)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(zhǎng)度小于1納秒或更短。眾所周知，激光器顯微加工要實(shí)現(xiàn)邊緣切割齊整，需要高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品，以及最關(guān)鍵的峰值功率強(qiáng)度。而這可以通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。在這些條件達(dá)到最優(yōu)的時(shí)候，即使在波長(zhǎng)“透明”的材料中也能實(shí)現(xiàn)邊緣切割齊整的加工要求，而這幾乎與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。確切機(jī)制是很復(fù)雜的，而且仍存在一些爭(zhēng)議，但確實(shí)能產(chǎn)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(duì)于超短脈沖激光器來(lái)說(shuō)，激光燈亮的時(shí)間相對(duì)極短。

比如，如果一個(gè)激光脈沖是100飛秒，那該激光器的重復(fù)率是100Hz，則該激光器實(shí)際開(kāi)動(dòng)的時(shí)間要比關(guān)閉的時(shí)間少多個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)事求是地說(shuō)，可以將坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成我們?nèi)祟?lèi)容易理解的坐標(biāo)系。如果100飛秒轉(zhuǎn)換成1秒，在第一個(gè)脈沖后大約3.5年會(huì)有第二個(gè)脈沖，或者從另一方面說(shuō)，激光關(guān)閉的時(shí)間比開(kāi)著的時(shí)間長(zhǎng)1億倍。

公司反饋

當(dāng)準(zhǔn)備寫(xiě)這篇文章時(shí)，我們對(duì)表1和2中所列的所有公司的負(fù)責(zé)人做了一次問(wèn)卷調(diào)查，并將他們的反饋相互關(guān)聯(lián)起來(lái)。雖然這絕不是一個(gè)完整的調(diào)查，但也包括了激光加工市場(chǎng)上的大部分主要參與者，在此也向沒(méi)包括在內(nèi)的廠商表示歉意，同時(shí)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(huì)有重合。表中的排名僅代表大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品線，盡管許多公司生產(chǎn)的定制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)會(huì)超過(guò)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(yīng)商。在大多數(shù)場(chǎng)景下，基本波長(zhǎng)是1064毫米，通過(guò)使用多種不同的技術(shù)獲取。通常，商用上的可用輸出功率會(huì)達(dá)到50瓦，TRUMPF和Edgewave這樣的制造商能夠達(dá)到幾百瓦。大多數(shù)的被調(diào)查者表示，在幾乎所有場(chǎng)景下，每一步的第二和第三諧波的轉(zhuǎn)換效率在50%左右。一些供應(yīng)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(lái)，光學(xué)降解非?？?。

在表格的“優(yōu)點(diǎn)”和“計(jì)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(zhǎng)度更短以及成本更低。此外，一些供應(yīng)商正尋求通過(guò)使用更快速的掃描器(這在試圖使用極高重復(fù)率時(shí)存在很大的限制)等應(yīng)用工作來(lái)改進(jìn)激光器之外的加工工藝，并為客戶(hù)的定制應(yīng)用提供支持。這是極為關(guān)鍵的，因?yàn)閾碛辛耸澜缟献詈玫募す馄?，并不意味著就?huì)自動(dòng)獲得最好的加工效果。同時(shí)還需要相應(yīng)的優(yōu)良系統(tǒng)組成部件，如光學(xué)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(gòu)了Lumera公司后，現(xiàn)在提供兩種貌似互相競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)品——Talisker和Lumera型號(hào)激光器。目前尚不清楚未來(lái)將是何種狀況，但目前來(lái)說(shuō)，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(yīng)商。所列的大多數(shù)供應(yīng)商的輸出功率能夠達(dá)到25瓦，使用放大器技術(shù)后能夠達(dá)到幾百瓦?；úㄩL(zhǎng)隨著基礎(chǔ)技術(shù)的不同而不同，大多數(shù)波長(zhǎng)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(zhǎng)的基波波長(zhǎng)可能會(huì)帶來(lái)好處，但并不適合更高的諧波，因?yàn)榧幢闶撬谋兜牟ㄩL(zhǎng)，波長(zhǎng)仍然只有375微米，還不是紫外線范圍。在多數(shù)應(yīng)用中，只要能夠獲得所需的光斑尺寸，這并不是問(wèn)題。即便是在能夠100%完全吸收光子并且沒(méi)有熱影響區(qū)域的情形下，簡(jiǎn)單的物理學(xué)也限制了使用紅外光子時(shí)能夠獲得的目標(biāo)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(zhuǎn)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(diǎn)中也列出了這一長(zhǎng)期專(zhuān)長(zhǎng)。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(dá)到目標(biāo)的方法。

表格中未涉及脈沖波形的時(shí)序和空間問(wèn)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(guān)重要。圖1展示了一個(gè)不需要基座和底部的邊緣切割整齊的脈沖。此外，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要圓形高斯光束，如圖2所示。

關(guān)于“優(yōu)點(diǎn)”，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(xué)器件和應(yīng)用。這值得關(guān)注，因?yàn)楹芏嗲闆r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(shí)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(xué)器件成了一個(gè)難題，特別是在聚焦小型光斑時(shí)。因此，使用150-200飛秒范圍內(nèi)的脈沖可能更好，這對(duì)于多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)“足夠短”了，而且還不必費(fèi)力地應(yīng)對(duì)光學(xué)問(wèn)題。這類(lèi)激光器市場(chǎng)包括醫(yī)療器械制造，玻璃、藍(lán)寶石及其它質(zhì)地堅(jiān)硬物質(zhì)以及易碎物質(zhì)的切割和刻痕，以及航空應(yīng)用。

其它需要考慮的因素

最后，必須考慮訂貨至交貨的時(shí)間以及成本，包括資本成本和運(yùn)營(yíng)成本，由于需要考慮的方面很多而未一一列出，包括期權(quán)、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(yùn)營(yíng)成本難以確定，但肯定會(huì)高于納秒激光器。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的訂貨至交貨時(shí)間從8周至10周不等，大功率產(chǎn)品則可能超過(guò)6個(gè)月。另外一方面，一些皮秒激光器在價(jià)格方面尤其具有吸引力。例如，Ekspla公司和Attodyne公司認(rèn)為其產(chǎn)品比同類(lèi)產(chǎn)品相比的優(yōu)勢(shì)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(duì)于大多數(shù)微加工應(yīng)用來(lái)說(shuō)，尚不清楚今后有無(wú)必要使用納秒激光器，特別是在成本差異可以忽略不計(jì)的情況下。(作者：RonaldD.Schaeffer博士，PhotoMachining公司首席執(zhí)行官)