1.1 激光器的分類

其中，按照能量輸出波形，激光器可以分為連續(xù)激光器、脈沖激光器、和準(zhǔn)連續(xù)激光器：

※ 連續(xù)激光器：在工作時(shí)間內(nèi)連續(xù)輸出穩(wěn)定能量波形的激光器，其特點(diǎn)是功率較高，能夠加工體積大、熔點(diǎn)高的材料，如金屬板材等；

※ 脈沖激光器：以脈沖形式輸出能量，根據(jù)脈沖寬度，脈沖激光器可進(jìn)一步分為毫秒激光器、微秒激光器、納秒激光器、皮秒激光器、飛秒激光器、及阿秒激光器等；例如，如果一臺(tái)脈沖激光器所輸出激光的脈寬在1-1000ns之間，我們稱之為納秒激光器，以此類推；我們將皮秒激光器、飛秒激光器、及阿秒激光器等，稱作超快激光器。脈沖激光器的功率遠(yuǎn)低于連續(xù)激光器，但加工精度高于連續(xù)激光器，且一般情況下，脈寬越窄，加工精度越高；

※ 準(zhǔn)連續(xù)激光器：介于連續(xù)激光器和脈沖激光器之間，可以在一定周期內(nèi)重復(fù)輸出比較高能量的激光，理論上來(lái)說(shuō)也是一種脈沖激光器。

以上三種激光器的能量輸出波形，也可以用“占空比”這個(gè)參數(shù)來(lái)描述，對(duì)于激光器來(lái)說(shuō)，占空比可解釋為在一個(gè)脈沖循環(huán)內(nèi)，有激光能量輸出的時(shí)間相對(duì)于總時(shí)間所占的比例。

連續(xù)激光器占空比(=1)＞準(zhǔn)連續(xù)激光器占空比＞脈沖激光器占空比。一般情況下，脈沖激光的脈寬越窄，占空比越低，見(jiàn)圖表2所示。

在材料加工領(lǐng)域，最初脈沖激光器是連續(xù)激光器的過(guò)渡產(chǎn)品，這是由于早期受到核心元器件的承受能力、工藝水平等因素的影響，連續(xù)激光器的輸出功率不可能很高，無(wú)法將材料加熱到熔點(diǎn)以上從而達(dá)到加工的目的；若通過(guò)一定的技術(shù)手段，使激光的輸出能量集中在單個(gè)脈沖上，這樣雖然激光器的總功率沒(méi)有發(fā)生變化，但在脈沖發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)上的瞬時(shí)功率卻大大提高，滿足了材料加工的訴求。后來(lái)連續(xù)激光器技術(shù)逐漸成熟，人們發(fā)現(xiàn)脈沖激光在加工精度上有很大的優(yōu)勢(shì)，這主要由于脈沖激光對(duì)材料的熱效應(yīng)更小，且激光脈寬越窄，熱影響越小，加工材料邊緣越平整（對(duì)應(yīng)的加工精度越高）。

超快激光器也被稱作“超強(qiáng)超短脈沖激光器”、“超短脈沖激光器”等，但我們更愿意稱之為“超快激光器”，是因?yàn)檫@個(gè)定義與“超快現(xiàn)象”有關(guān)。超快現(xiàn)象是指發(fā)生在物質(zhì)微觀體系中快速變化的物理、化學(xué)或生物過(guò)程中的一種現(xiàn)象：在原子分子體系中，原子及分子自身運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度大約在皮秒到飛秒量級(jí)，如分子轉(zhuǎn)動(dòng)的周期在皮秒量級(jí)，振動(dòng)的周期約在飛秒量級(jí)；當(dāng)激光脈沖脈寬達(dá)到皮秒或飛秒級(jí)別，可以在很大程度上避免對(duì)分子整體熱運(yùn)動(dòng)的影響（分子熱運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)溫度的微觀本質(zhì)），而在分子震動(dòng)的時(shí)間尺度上對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生影響，使得在達(dá)到加工目的的同時(shí)，熱效應(yīng)大大降低。

與納秒及毫秒激光器相比，超快激光器雖然整體功率更低，但由于其直接作用于材料分子震動(dòng)的時(shí)間尺度，在真正意義上實(shí)現(xiàn)了“冷加工”，因此加工精度大大提高。

由于特性的不同，高功率連續(xù)激光器、非超快的脈沖激光器和超快激光器在下游應(yīng)用領(lǐng)域上有較大差別：

※ 高功率連續(xù)激光器（以及準(zhǔn)連續(xù)激光器）：主要應(yīng)用于金屬材料的切割、燒結(jié)、焊接、表面熔敷、打孔、金屬3D打印等；

※ 非超快脈沖激光器：非金屬材料的打標(biāo)、硅材料的加工、金屬的表面雕刻、金屬表面清洗、金屬的精密焊接、金屬的微加工等；

※ 超快激光器：玻璃、PET及藍(lán)寶石等透明材料和硬脆材料的切割和焊接、精密打標(biāo)、眼科手術(shù)、材料的微觀鈍化及刻蝕等。

從用途來(lái)看，高功率連續(xù)激光器和超快激光器幾乎不存在相互替代的關(guān)系，它們一個(gè)像板斧一個(gè)像鑷子，尺寸各有短長(zhǎng)。非超快脈沖激光器的下游應(yīng)用與連續(xù)激光器和超快激光器都分別有一些重合，從實(shí)際結(jié)果來(lái)看，同一用途下，其功率不如連續(xù)激光器，精度不如超快激光器，比較突出的是性價(jià)比。

尤其是納秒紫外激光器，雖然其脈寬沒(méi)有達(dá)到皮秒級(jí)別，但加工精度較其他顏色的納秒激光器有較大提升，已比較廣泛的應(yīng)用于3C產(chǎn)品的加工制造，與超快激光器下游應(yīng)用重疊度較大。未來(lái)隨著超快激光器成本下降，可能會(huì)侵占納秒紫外的市場(chǎng)。

1.2 超快激光技術(shù)有著很高的技術(shù)門(mén)檻

2018年10月2日，瑞典皇家科學(xué)院在宣布，美國(guó)科學(xué)家亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）、法國(guó)科學(xué)家杰哈?莫羅（Gérard Mourou）和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭（Donna Stricklan）獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

其中Gérard Mourou和Donna Stricklan二人獲獎(jiǎng)的理由是發(fā)明了激光的啁啾脈沖放大技術(shù)（Chirped Pulse Amplification，CPA），這種技術(shù)目前已經(jīng)被普遍應(yīng)用于超快脈沖激光系統(tǒng)。兩位科學(xué)家獲獎(jiǎng)也使得越來(lái)越多的人開(kāi)始接觸并了解超快激光的概念。

CPA技術(shù)的發(fā)明是超快激光發(fā)展的里程碑。1960年代，調(diào)Q和鎖模技術(shù)相繼出現(xiàn)，并被應(yīng)用于提高脈沖激光器的能量峰值，后來(lái)自鎖模技術(shù)也被提出，脈沖激光器一度進(jìn)入了快速發(fā)展階段。

1980年代CPA（啁啾）技術(shù)的發(fā)明，使脈沖激光器突破了脈沖峰值功率的瓶頸，脈沖激光真正進(jìn)入了超快激光的時(shí)代，這也是目前超快激光器中應(yīng)用最多的技術(shù)。

CPA技術(shù)的基本原理是先利用一對(duì)光柵將初始脈沖激光拉寬，利用放大器把拉寬的激光放大，最后使用另一對(duì)光柵將激光脈沖壓縮，得到瞬時(shí)的高功率。從CPA技術(shù)發(fā)明至今，人們已經(jīng)將激光脈沖的強(qiáng)度和峰值功率提高了7-8個(gè)數(shù)量級(jí)，目前基于CPA技術(shù)的超快激光器的峰值功率已經(jīng)可以達(dá)到1015W級(jí)別。高峰值、高頻率、高功率仍是超快激光未來(lái)發(fā)展的主要方向。

超快激光在真正意義上實(shí)現(xiàn)了冷加工，在精密加工方面有顯著優(yōu)勢(shì)，隨著超快激光器的生產(chǎn)工藝逐漸成熟，成本逐漸下降，未來(lái)有望廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療生物、航空航天、消費(fèi)電子、照明顯示、能源環(huán)境、精密機(jī)械等下游行業(yè)。

（1）醫(yī)療美容：

超快激光可用于醫(yī)療中的眼科手術(shù)設(shè)備和美容設(shè)備。飛秒激光被用于近視手術(shù)，被譽(yù)為繼波前像差技術(shù)之后“屈光手術(shù)的又一次革命”。近視患者的眼軸大于正常眼軸，使得在眼球調(diào)節(jié)松弛狀態(tài)下，平行光線經(jīng)眼的屈光系統(tǒng)折射后的焦點(diǎn)落在視網(wǎng)膜之前。飛秒激光手術(shù)可以去除眼軸維度上多余的肌肉，使眼軸距離恢復(fù)正常。飛秒激光手術(shù)具有準(zhǔn)確性高、安全性高、穩(wěn)定性高、手術(shù)時(shí)間短、舒適性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前最主流的近視手術(shù)手段之一。

在美容方面，超快激光可用于去除色素和原生痣、去除紋身等，也可以用來(lái)改善肌膚的衰老情況。

（2）消費(fèi)電子：

超快激光適用于消費(fèi)電子制造過(guò)程中的硬脆透明材料加工、薄膜加工、精密打標(biāo)等。手機(jī)鋼化玻璃和藍(lán)寶石是消費(fèi)電子原材料中比較有代表性的硬脆透明材料，尤其是藍(lán)寶石，由于其硬度高，脆性大，使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式效率和良品率很低；藍(lán)寶石現(xiàn)在已經(jīng)比較廣泛的應(yīng)用于智能手表、手機(jī)攝像頭蓋板、指紋模組蓋板等；納秒紫外激光和超快激光是目前切割藍(lán)寶石的主要技術(shù)手段，超快激光的加工效果比紫外納秒激光更好。此外，攝像頭模組、指紋模組使用的加工方式，也以納秒和皮秒激光為主。未來(lái)柔性手機(jī)屏（可折疊屏）的切割、及對(duì)應(yīng)的3D玻璃鉆孔，主流技術(shù)也大概率是超快激光。

超快激光在面板制造中，也有重要應(yīng)用。OLED偏光片的切割、LCD/OLED制造過(guò)程中的剝離及修復(fù)，都可使用超快激光。

（3）顯示照明：

超快激光在顯示照明領(lǐng)域的應(yīng)用主要是指LED晶片的劃線和切割，這也是超快激光適合硬脆材料加工的又一例證，超快激光加工的截面平整度高，崩邊顯著減少，效率和精度都大大提升。

（4）光伏能源：

超快激光在光伏電池的制造中應(yīng)用空間廣闊。例如在CIGS薄膜電池的制造中，超快激光可替代原有的機(jī)械劃線工藝，顯著改善劃線質(zhì)量，尤其是對(duì)于P2、P3劃線環(huán)節(jié)，可以做到幾乎沒(méi)有崩邊現(xiàn)象，也沒(méi)有裂紋和殘余應(yīng)力。

（5）航空航天：

為提高渦輪葉片的性能和使用壽命，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，需要采用氣膜冷卻技術(shù)，這對(duì)氣膜孔加工技術(shù)提出了極高的要求，2018年西安光機(jī)所開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)最高單脈沖能量的26瓦工業(yè)級(jí)飛秒光纖激光器，并研制出系列化超快激光極端制造裝備，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，這種加工方法較電火花加工等方法精度更高，成品率大大提升。

超快激光還可應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精密加工，加工精度的提升，有助于碳纖維等復(fù)合材料在航空航天等高端領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。

超快激光還可應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精密加工，加工精度的提升，有助于碳纖維等復(fù)合材料在航空航天等高端領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。