超短脈沖激光器（通常會稱為超快激光器）的脈沖長度可以達(dá)到皮秒級甚至飛秒級。作為科學(xué)的研究工具，超快激光器的研發(fā)歷史已有幾十年。伴隨著超快激光器的發(fā)展，讓飛秒化學(xué)、光譜學(xué)以及多光子成像領(lǐng)域也受益匪淺，還使神經(jīng)科學(xué)和量子力學(xué)的新研究成為可能。

技術(shù)發(fā)展及用戶基礎(chǔ)擴(kuò)大等一系列因素，正在促成超快激光技術(shù)市場的迅速發(fā)展。未來5年，該市場將以16.6%的復(fù)合年增長率增長——這個預(yù)測是在考慮到新冠肺炎疫情導(dǎo)致生產(chǎn)放緩這個因素下做出的（來源：Chromacity公司）

現(xiàn)在，超快激光器已開始超越傳統(tǒng)的研究技術(shù)。皮秒激光器的商業(yè)化應(yīng)用已有20多年的歷史。隨之而來的是超快激光器制造成本的降低，并且可以適應(yīng)工業(yè)需求，直到最近商業(yè)應(yīng)用才達(dá)到臨界點。美國加州激光制造商Lumentum的生產(chǎn)線管理總監(jiān)Vincent Issier談到：“在過去5-7年里，皮秒激光器得到了大規(guī)模的應(yīng)用。在那之前，超快激光是最后的選擇?！?/p>

“現(xiàn)在，皮秒激光器正在逐漸成為主流，部分原因是因為它們現(xiàn)在可以加入到微加工解決方案的競爭。它們也是行業(yè)的一個新發(fā)展方向?！盫incent Issier說。2016年Lumentum公司發(fā)布了PicoBlade 2超快激光器以開拓這一市場。他們做了重新設(shè)計，使該技術(shù)可以在更小的空間中使用，并易于集成到工業(yè)系統(tǒng)中。

長期以來，超快激光器都只是一種實驗室用的工具，但是現(xiàn)在超快激光器的總成本已經(jīng)低得足以引起人們對其工業(yè)應(yīng)用潛力的興趣（來源：Chromacity公司）

微加工工具
根據(jù)市場研究公司的報告，工業(yè)超快激光器市場背后的動力由幾個因素組成。即使考慮新冠肺炎疫情導(dǎo)致的生產(chǎn)放緩，未來5年超快激光器市場的年復(fù)合年增長率仍然有望達(dá)到16.6%。其中，一個因素是大規(guī)模需求的出現(xiàn)。

MKS Instruments公司產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Herman Chui說：“消費電子產(chǎn)品是推動皮秒激光器技術(shù)被采用的真正原因?！盡KS Instruments公司擁有激光制造商理波光譜物理科技有限公司（spectrum-physics），能夠生產(chǎn)制造皮秒激光器備。但是，汽車、生物成像和醫(yī)療領(lǐng)域?qū)I(yè)超快激光器的需求也在增長，這讓工業(yè)超快激光器新的制造能力得以開發(fā)，比如脈沖寬度更長的激光工藝，或取代其他技術(shù)。

Herman Chui表示，自從2007年蘋果發(fā)布第一代iPhone以來，所有電子產(chǎn)品類別比如平板電腦、AR/VR設(shè)備和可穿戴醫(yī)療設(shè)備都已商業(yè)化。這些設(shè)備正在變得越來越小，功能越來越多。制造商需要能夠加工具有更精細(xì)功能的印刷電路板和OLED顯示屏等材料，但要杜絕大量的熱量傳遞，因為熱量會損壞材料，而超快激光器非常適合這樣的應(yīng)用需求。

Lumentum公司的Vincent Issier說：“過去是用機(jī)械工藝的方式，比如用鉆頭在組成電子元件的零件上鉆出線和孔，但經(jīng)常會出現(xiàn)無法再縮小鉆頭尺寸的情況。如果鉆頭磨損、斷裂，還得更換零件，增加成本。另外，維修還會引發(fā)停機(jī)，降低機(jī)器的使用效率?！?/p>

工業(yè)界一直在尋找將生產(chǎn)成本最小化的方法。對此，超快激光器的加工質(zhì)量扮演了一個重要角色?！巴ㄟ^發(fā)揮超快激光器的合適性能如波長、能量、脈沖持續(xù)時間以及傳輸光學(xué)，就能將材料中的熱影響區(qū)最小化，減少碎片產(chǎn)生、重鑄、變色等。這是一個巨大的優(yōu)勢。”Vincent Issier說。

可靠的激光器
當(dāng)然，行業(yè)必須在激光器上下功夫，以確保超快激光器能夠與技術(shù)成熟、可持續(xù)運轉(zhuǎn)的機(jī)械式微加工相競爭。正如Lumentum公司再設(shè)計的產(chǎn)品PicoBlade展示的那樣，超快激光器的尺寸縮小了，可以更好地被集成到各種制造平臺和運動系統(tǒng)中，這是它們的一大優(yōu)勢。但是，蘇格蘭超快激光器制造商Chromacity的商業(yè)總監(jiān)兼聯(lián)合創(chuàng)始人Christopher Leburn表示：可靠性的提高也是超快激光器成為工業(yè)解決方案的一個主要原因。

“縱觀超短脈沖激光系統(tǒng)的發(fā)展歷史，要實現(xiàn)可靠的維護(hù)效果是相當(dāng)難的。作為高度復(fù)雜的光學(xué)儀器，它們需要額外的電子層或冷卻工序，以實現(xiàn)一致的脈沖質(zhì)量或光譜穩(wěn)定性，”Christopher Leburn說，“隨著時間的推移，改進(jìn)的激光器架構(gòu)變得更穩(wěn)定，制造過程也更有效率。”

MKS Instruments公司的Herman Chui表示同意：“我們花了很長時間才想出讓這些激光器適應(yīng)商業(yè)應(yīng)用的新方法。在這些改進(jìn)中，許多都是隨著時間推移發(fā)生，并不是階梯式的功能改進(jìn)。它們是對現(xiàn)有激光器架構(gòu)的改進(jìn)。”

在盒子里
大多數(shù)工業(yè)超快激光器是基于技術(shù)早已成熟的主振蕩器功率放大器（MOPA）而設(shè)計的。在放大器的激光器內(nèi)放有一臺振蕩器，作為種子激光器連接到放大器，從而增加發(fā)射脈沖的能量，再通過一個標(biāo)準(zhǔn)化平臺實現(xiàn)激光加工。振蕩器通常是基于光纖的，而放大器可以基于光纖也可以基于固態(tài)晶體，取決于最終的功率輸出要求。
一般來說，光纖放大器在設(shè)計輸出功率低于100W時是合適的選擇，而搭載固態(tài)放大器的激光系統(tǒng)能夠產(chǎn)生更高的輸出功率。光纖放大器還會受到非線性效應(yīng)的影響，比如受激布里淵散射、受激拉曼散射以及光學(xué)克爾效應(yīng)，都會對功率輸出產(chǎn)生干擾。這些意外的效應(yīng)就是儀器制造商常將超快激光系統(tǒng)與其他系統(tǒng)組合起來應(yīng)用的一大原因。

Herman Chui表示，MKS Instruments公司旗下的理波光譜物理科技有限公司就在其IceFyre皮秒激光器中應(yīng)用了這種組合架構(gòu)，將一個光纖振蕩器和一個固態(tài)放大器組合了起來。這種架構(gòu)讓激光器的脈沖能夠根據(jù)需求從納秒迅速切換到皮秒、飛秒。這對降低成本、提高光電元件（如二極管）的性能，提高超快激光器的成本效益方面都發(fā)揮了積極作用。

作為高度復(fù)雜的光學(xué)儀器，超短脈沖激光系統(tǒng)一直面臨著“難維護(hù)、難操作”這項難題，為實現(xiàn)一致的脈沖質(zhì)量或光譜穩(wěn)定性，需要電子層或冷卻工序。但是，改進(jìn)底層架構(gòu)，就能使這些系統(tǒng)更加穩(wěn)固耐用，可被大規(guī)模制造（來源：Chromacity公司）

在蘇格蘭赫瑞瓦特大學(xué)進(jìn)行激光研究時，Christopher Leburn創(chuàng)立了Chromacity公司。該公司推出的最新一款激光器設(shè)計就是光學(xué)參量振蕩器（OPO）系統(tǒng)，使用磷化鎵非線性晶體在中紅外區(qū)域產(chǎn)生皮秒脈沖。Christopher Leburn介紹說：“這款振蕩器是由一種基于部分光纖、部分自由空間激光器的高平均功率、1μm波長光源泵浦發(fā)出的。這些組件裝在一個單片基板上，有助于激光系統(tǒng)的緊湊和可靠性。熱效率激光系統(tǒng)無需水冷卻。”

更快的脈沖速度
隨著超快激光器在工業(yè)加工領(lǐng)域的發(fā)展，它已被用于加工越來越多的材料，包括金屬、玻璃、寶石和塑料。這些材料的獨特特性以及它們對激光脈沖的不同公差，促使制造商開發(fā)具有處理這些材料的儀器。Herman Chui表示：“企業(yè)的研發(fā)人員一直努力在滿足客戶需求和預(yù)測市場走向之間尋找平衡點。我們必須專注于技術(shù)，設(shè)計生產(chǎn)出符合市場預(yù)期的產(chǎn)品?！?/p>

理波光譜物理科技有限公司的新型超快激光器，產(chǎn)生的諧波在光譜的紫外和綠色波長區(qū)域發(fā)射皮秒脈沖。他們還有一些產(chǎn)品也能發(fā)射飛秒脈沖。較短的脈沖可以讓材料更好地吸收光，產(chǎn)生較淺的吸收深度。飛秒激光對材料的熱影響也比皮秒激光低，熱影響區(qū)域更小，但是在輸出相同的功率時，飛秒激光器的光通量可能更低，成本更高。因此，脈沖的參數(shù)如波長、形狀以及脈沖串的類型，可以產(chǎn)生很大不同。

“這是因為優(yōu)化了光與材料的相互作用，”Herman Chui說，“超薄玻璃切割得益于超短脈沖激光器，因為你可以在不進(jìn)行任何后處理的情況下獲得數(shù)十納米的邊緣表面粗糙度。以平板顯示器制造為例，這項技術(shù)的進(jìn)步有助于降低其制造成本?！?/p>

高功率皮秒脈沖激光切割OLED顯示屏。皮秒激光器的超短脈沖能夠非常有效地在印刷電路板和OLED顯示屏上做更精細(xì)的加工，不傳導(dǎo)大熱量，防止由此產(chǎn)生的部件損壞問題（來源：MKS儀器公司）

Chromacity公司的Christopher Leburn說：“飛秒脈沖還可以擴(kuò)大超快激光系統(tǒng)的用途。該公司的飛秒激光器已用于要求高脈沖重復(fù)率及低脈沖能量的半導(dǎo)體晶圓檢測中。他們還提供可傳輸5μm-12μm不同波長的光源，環(huán)境、國防和安全部門都對這種光譜有需求。氣體、液體和固體在中紅外區(qū)域有非常明確的化學(xué)特征，所以將這些激光應(yīng)用在化學(xué)分析中很有效?！?/p>

用發(fā)射紫外光的激光器加工塑料和高分子材料，產(chǎn)生的熱量比采用紅外脈沖的激光器少。Lumentum公司去年發(fā)布的PicoBlade 3，除了紅外波段外，還有紫外線和綠色波段可供選擇。其運算能力是之前同系列產(chǎn)品的4倍。
“客戶需要更大的功率處理材料，這樣就可以帶來更高的產(chǎn)能?！盫incent Issier說。他認(rèn)為未來幾年市面上的工業(yè)超快激光器數(shù)量會增加。此外，超快激光器還會出現(xiàn)其他用途，比如表面紋理加工，通過激光加工在材料上打造疏水性或親水性功能。

Chromacity公司的Christopher Leburn發(fā)現(xiàn)激光器尺寸正向著越來越小的趨勢發(fā)展，最終應(yīng)該達(dá)到可攜帶的程度。“我們曾用我們生產(chǎn)的超短脈沖OPO系統(tǒng)在野外測量甲烷、乙烷和水蒸氣，以十億分之一的分辨率在70米的距離范圍內(nèi)測出了化學(xué)信號。這是傳統(tǒng)技術(shù)不可能實現(xiàn)的效果，”Christopher Leburn說，“制造出更緊湊的超快激光系統(tǒng)只有時間和資源上的挑戰(zhàn)，而非物理層面的?！?/p>