20多年前，生產(chǎn)中使用的唯一真正的紫外（UV）激光器是準(zhǔn)分子激光器，其典型的脈沖寬度約20ns，在當(dāng)時(shí)也被稱為超快脈沖（UFP）激光器。事實(shí)上，Lumonics公司（位于美國(guó)馬薩諸塞州的貝德福德）擁有一款2ns的激光器，而當(dāng)時(shí)有一些應(yīng)用，在選擇了低納秒級(jí)的脈沖寬度后，其工藝品質(zhì)出現(xiàn)了明顯的差異。
在可見(jiàn)光譜的另一邊，幾乎全部使用Nd:YAG激光器或其衍生產(chǎn)品來(lái)處理紅外（IR）。當(dāng)時(shí)的紅外光纖激光器（和碟片激光器）不具備任何的工業(yè)意義，即便今天它們是行業(yè)的主力。針對(duì)光譜可見(jiàn)部分的調(diào)研工作在那會(huì)兒可謂是剛剛開(kāi)始。
在過(guò)去10年內(nèi)，超快脈沖技術(shù)——即脈沖寬度<1ns的激光器已成為生產(chǎn)車間的標(biāo)準(zhǔn)。因此，當(dāng)為特定任務(wù)選擇正確的紫外（UV）激光器時(shí)，還有一些選擇方案可供參考。此外，當(dāng)購(gòu)買一款在UV 波長(zhǎng)、可見(jiàn)波長(zhǎng)和紅外波長(zhǎng)范圍操作的超快脈沖激光器時(shí)，通常會(huì)一并提供解決方案。在典型的制造環(huán)境中，通常僅使用一種波長(zhǎng)，因?yàn)樵谠摥h(huán)境中，需要加工處理的部件和材料的數(shù)量非常少。對(duì)于研發(fā)或類似工作車間的環(huán)境而言，往往需要用到所有三種波長(zhǎng)。在我們的實(shí)驗(yàn)室中，我們有納秒、皮秒和飛秒激光器，所有這些激光器都以紅外、可見(jiàn)和紫外波長(zhǎng)操作，以便客戶可以對(duì)多種可能性進(jìn)行調(diào)研，從而為其手頭的加工任務(wù)選擇正確的配置。
圖1是一張顯示脈沖持續(xù)時(shí)間（從飛秒到連續(xù)波[CW]）和波長(zhǎng)（從紅外到紫外) 的曲線圖。具有接近原點(diǎn)（左下）的輸出特性的激光器是實(shí)現(xiàn)最高品質(zhì)特性的加工任務(wù)的理想選擇，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)具有短波長(zhǎng)和短脈沖寬度。 右上方的激光器具有長(zhǎng)脈沖寬度和紅外波長(zhǎng)，因而這些激光器通常不適合于微加工應(yīng)用，盡管它們可能對(duì)諸如焊接、接合、表面處理和增材制造等其它領(lǐng)域會(huì)非常有用。值得注意的是，沒(méi)有提及具有如左上所示的輸出特性的激光器的應(yīng)用— 使用長(zhǎng)脈沖UV 激光對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用會(huì)有些適得其反。因此，本文主要重點(diǎn)討論包在藍(lán)色陰影區(qū)域內(nèi)的激光器。
圖1：脈沖持續(xù)時(shí)間以及波長(zhǎng)曲線
此外，盡管CO2激光器和準(zhǔn)分子激光器均有被提及，并且這兩種激光器在材料處理中仍然具有很大價(jià)值，但是當(dāng)前的討論將集中于波長(zhǎng)為2μm至約300nm的激光器。這也排除了四倍頻激光器，但是這類激光器在皮秒和飛秒激光器得到商業(yè)化之前更為有用。并且基于可靠性問(wèn)題，它們不被使用，除非絕對(duì)有必要（例如準(zhǔn)分子激光器）。
表：紅外、可見(jiàn)光及紫外激光器的特征
上表顯示了本文所討論的三種波長(zhǎng)的一些特征。 簡(jiǎn)而言之，紫外光子的成本更高，并且其功率比紅外光子更低，但是可以實(shí)現(xiàn)更小，更清潔的特征，并且材料去除更為精確，但要比使用紅外光子更慢。 可見(jiàn)波長(zhǎng)用于需要的應(yīng)用領(lǐng)域，例如透明材料的背面處理或去除氧化銦錫（ITO），但鑒于眼睛安全問(wèn)題，通常首先考慮其它的替代方案。
納秒激光器
二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器是在20世紀(jì)90年代末被首次引入工業(yè)環(huán)境的。 當(dāng)時(shí)，第一臺(tái)此類激光器僅具有幾瓦的低輸出功率，其波長(zhǎng)為355nm。在二極管泵浦之前，使用燈泵浦可獲得激光，但是這類激光器是非常不可靠的。當(dāng)時(shí)，幾瓦的納秒紫外光的成本超過(guò)10萬(wàn)美元。
隨后，納秒激光器的市場(chǎng)變得越來(lái)越成熟，而這些激光器現(xiàn)在也可以從許多不同的制造商（提供紅外、可見(jiàn)和紫外波長(zhǎng)）處購(gòu)買到，10W紫外輸出功率的納秒激光器的價(jià)格低于5萬(wàn)美元。在大多數(shù)情況下，這些激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間介于幾十到幾百納秒的范圍內(nèi)。
皮秒激光器
皮秒激光器是一種脈寬為皮秒的激光器。具有皮秒級(jí)超短脈寬、重復(fù)頻率可調(diào)、脈沖能量高等特點(diǎn)。皮秒激光器在2005年首次得到商業(yè)化引入，超快激光器領(lǐng)導(dǎo)者Lumera Laser公司（現(xiàn)已被美國(guó)相干公司收購(gòu)）是當(dāng)時(shí)主要的市場(chǎng)參與者。當(dāng)然，見(jiàn)證許多其它參與者涌入這個(gè)市場(chǎng)并沒(méi)有花費(fèi)太長(zhǎng)的時(shí)間——現(xiàn)在，無(wú)論是科研用激光器或是工業(yè)用激光器，都能提供多種選擇。幾乎所有的皮秒激光器的脈沖寬度都介于2ps到20ps之間。有一些激光器的脈沖寬度為幾百皮秒，但這些激光器在大多數(shù)的應(yīng)用中都是值得商榷的。事實(shí)上，該脈寬范圍的很大一部分被稱為“死亡谷”，因?yàn)椴牧系慕换プ饔煤托阅芟喈?dāng)差—— 當(dāng)然和使用納秒激光器一樣糟，并且在許多情況下，質(zhì)量甚至更差。所以當(dāng)討論皮秒激光器時(shí)，應(yīng)當(dāng)指的是脈沖寬度低于20ns（可能長(zhǎng)達(dá)50ns，但不再超過(guò)）的激光器。
針對(duì)超快脈沖（UFP) 激光器效用的斷言之一是存在與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的吸收性。在更短的脈沖寬度范圍，這一點(diǎn)可能是對(duì)的，但是在10ps 的脈沖寬度下，使用紅外波長(zhǎng)與紫外波長(zhǎng)加工的部件的質(zhì)量幾乎總會(huì)產(chǎn)生差異。
圖2：使用納秒激光器和皮秒激光器加工的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）。
例如，圖2顯示的是使用100mm平場(chǎng)聚焦透鏡以及在每個(gè)不同樣例中使用大致相同的輸出功率加工的50μm 厚的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）的特征。納秒紅外和紫外樣品（c-d）的邊緣處均顯示有大量的碎片和炭化效果。皮秒激光器加工的樣品（g-i）相較于納秒樣品都有顯著改善，但在10ps 脈沖寬度下，三個(gè)波長(zhǎng)之間仍然存在視覺(jué)差異。
因而，面臨的問(wèn)題總是：“對(duì)于手頭的應(yīng)用，怎么樣的質(zhì)量是足以應(yīng)對(duì)的”？由于紅外波長(zhǎng)具有更多的可用功率并且其光子的成本小于UV 光子，所以該波長(zhǎng)被用于大多數(shù)應(yīng)用。然而，如果要求呈現(xiàn)最高質(zhì)量和/或展現(xiàn)最小的特征尺寸時(shí)，UV波長(zhǎng)則是非常有用的。通常，當(dāng)更高的功率對(duì)目標(biāo)質(zhì)量具有價(jià)值時(shí)會(huì)使用皮秒激光器。
當(dāng)這些激光器首次出現(xiàn)時(shí)，其成本超過(guò)30萬(wàn)美元?，F(xiàn)在，中功率（20W）的紅外激光器的成本約為13-15萬(wàn)美元，諧波和更高功率的激光器的成本超過(guò)20 萬(wàn)美元。德國(guó)EdgeWave公司也提供使用板條激光放大器的高功率激光器，但一般來(lái)說(shuō)這類激光器通常被用于非常特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。
作為超快激光器市場(chǎng)的新入市者，IPG Photonics公司推出的一款15ns脈沖寬度的50W 激光器的售價(jià)約為6.5萬(wàn)美元。除了成本低之外，這些激光器從冷啟動(dòng)到預(yù)熱只需要60秒的時(shí)間。
飛秒激光器
就飛秒激光器來(lái)看，市場(chǎng)上能買到的產(chǎn)品的脈沖寬度約在10fs到900fs之間，但真正有用的脈沖寬度范圍是介于200fs到500fs之間。在500fs以上，該飛秒激光器實(shí)際上更像是皮秒激光器。而在200fs以下，通常沒(méi)有明顯的質(zhì)量改進(jìn)，并且由于光的寬帶特性，光學(xué)元件變得更難以管理。在這個(gè)有效的范圍內(nèi)，就大多數(shù)材料而言，許多在質(zhì)量上沒(méi)有呈現(xiàn)出顯著的差異，因此這類激光器的大多數(shù)應(yīng)用目前使用的還是基本波長(zhǎng)。另外，諸如玻璃和一些聚合物等材料，即使在飛秒范圍，使用UV 波長(zhǎng)加工也能獲得更好的邊緣質(zhì)量——而UV波長(zhǎng)在需要最小的光斑尺寸時(shí)也同樣有用。值得注意的是，較小光斑尺寸的其他優(yōu)點(diǎn)之一是較小的切口，這意味著去除的材料更少、 因而產(chǎn)生的碎屑更少，以及最終獲得的切口更光潔整齊。
與上述皮秒激光器一樣，這些飛秒激光器的最初入門價(jià)格超過(guò)30 萬(wàn)美元。現(xiàn)在，大功率（20W）的專用紅外激光器的成本約為20萬(wàn)至22.5萬(wàn)美元，而諧波式的激光器成本則再需要增加2萬(wàn)美元。
在高能量和高功率產(chǎn)品領(lǐng)域，類似Amphos（位于德國(guó)Herzogenrath）這樣的公司生產(chǎn)具有幾百瓦輸出功率的飛秒激光器，但這些激光器通常不用于典型的微加工領(lǐng)域，并且其往往價(jià)格不菲。另外，位于立陶宛維爾紐斯的Light Conversion公司銷售一種氣冷型、功率極小、并且成本僅超過(guò)10 萬(wàn)美元（3W紅外）的飛秒激光器。而位于法國(guó)Pessac的高科技激光公司AmplitudeSystèmes 提供100W功率，300μJ/脈沖地激光器；以及一款脈沖寬度小于500fs的全新的、低成本的10W 激光器。同時(shí)，類似光譜物理（Spectra-Physics）以及相干（Coherent）等行業(yè)巨頭也提供極具競(jìng)爭(zhēng)力的同類產(chǎn)品。
下一步是什么？
如今，我多年前期望得到的理想的激光器幾乎已獲得。雖然不太確定這一切究竟是如何一步一步演變和發(fā)展至此的。幾年前，我可能會(huì)需要脈沖能量更高的激光器，但是在過(guò)去幾年中，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，甚至不會(huì)用到這些功率或脈沖能量水平的產(chǎn)品。
當(dāng)使用電流計(jì)時(shí)，一個(gè)良好的基準(zhǔn)是皮秒和納秒激光器需要至少50μJ 的脈沖能量，而脈沖寬度<500fs的飛秒激光器需要25μJ的脈沖能量。單位脈沖能量過(guò)多，或是太高的重復(fù)率都有可能損害目標(biāo)品質(zhì)。 Photonics Industries公司（位于美國(guó)紐約州的Ronkonkoma）正出售脈沖能量為700μJ 并且針對(duì)那些在實(shí)際應(yīng)用中真正需要這一能量值的激光器。轉(zhuǎn)而使用脈沖寬度約小于200fs 的激光器并不是一個(gè)理想的選擇。因此，產(chǎn)品體型更小、價(jià)格更低廉似乎成為發(fā)展方向。鑒于此，利潤(rùn)率將進(jìn)一步受到影響，但當(dāng)這些激光器價(jià)格低于10萬(wàn)美元時(shí)，其銷售量將會(huì)顯著增加。
最后，為應(yīng)用需求選擇正確的激光器的簡(jiǎn)單方式是選擇品質(zhì)良好且性價(jià)比最高的產(chǎn)品。我評(píng)估一個(gè)應(yīng)用并且假設(shè)可以使用紅外光子納秒激光器對(duì)其進(jìn)行加工；如果不行，則再考慮使用可見(jiàn)光或紫外光子的激光器和/或采用短脈沖型激光器。這似乎是一個(gè)相當(dāng)艱巨的任務(wù)，但包括激光制造商和激光承包生產(chǎn)商等在內(nèi)的良好資源能夠在這一過(guò)程中為您提供幫助。
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