想必大家都聽過“飛秒激光治近視”這句廣告語，但相信很多人并不了解什么是飛秒激光，同樣的還有納秒激光、皮秒激光，這些奇怪的秒和我們常見的激光有什么不同呢？今天OFweek激光網(wǎng)就帶大家來解讀一下這幾種激光的特點及應(yīng)用。
實際上，納秒、皮秒、飛秒都是時間單位，1ns＝10-9s，1ps＝10－12s，1fs＝10－15s。這個時間單位，表示的是一個激光脈沖的脈沖寬度，簡言之就是在如此短暫的時間內(nèi)輸出一個脈沖激光。由于其輸出單脈沖時間非常非常短，因此這樣的激光稱為超快激光。當(dāng)把激光能量集中在如此短的時間內(nèi)，會獲得巨大的單脈沖能量和極高的峰值功率，在進行材料加工時，會很大程度上避免長脈寬、低強度激光造成材料熔化與持續(xù)蒸發(fā)現(xiàn)象（熱影響），可以大大提高加工質(zhì)量。
在工業(yè)上，通常將激光分成連續(xù)波（CW）、準(zhǔn)連續(xù)（QCW）、短脈沖（Q－Switched）、超短脈沖（Mode－Locked）四類。連續(xù)波以多模連續(xù)光纖激光器為代表，占據(jù)了當(dāng)前工業(yè)市場的大部分份額，廣泛應(yīng)用于切割、焊接、熔覆等領(lǐng)域，具有光電轉(zhuǎn)換率高、加工速度快等特點。準(zhǔn)連續(xù)波又稱長脈沖，可產(chǎn)生ms～μs量級的脈沖，占空比為10％，這使得脈沖光具有比連續(xù)光高十倍以上的峰值功率，對于鉆孔、熱處理等應(yīng)用來說非常有利。短脈沖指的是ns量級的脈沖，廣泛的應(yīng)用于激光標(biāo)刻、鉆孔、醫(yī)療、激光測距、二次諧波的產(chǎn)生、軍事等領(lǐng)域。超短脈沖則是我們所說的超快激光，包括達(dá)到ps、fs量級的脈沖激光。
當(dāng)激光以皮秒、飛秒量級的脈沖時間作用到材料上時，會使加工效果發(fā)生顯著變化。飛秒激光能聚焦到比頭發(fā)直徑還要小的空間區(qū)域內(nèi)，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高出數(shù)倍，從而實現(xiàn)許多地球上所不存在的、其他的方法也無法得到極端物理條件。隨著脈沖能量急劇上升，高功率密度的激光脈沖能輕易地剝離外層電子，使電子脫離原子的束縛，形成等離子體。由于激光與材料相互作用的時間極短，等離子體還沒來得及將能量傳遞給周圍材料，就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉，不會給周圍的材料帶來熱影響，因此超快激光加工也被稱為“冷加工”。同時，超快激光幾乎可加工所有的材料，包括金屬、半導(dǎo)體、鉆石、藍(lán)寶石、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料和樹脂、光阻材料、薄膜、ITO膜、玻璃、太陽能電池片等等。
憑借冷加工帶來的優(yōu)勢，短脈沖與超短脈沖激光器走進了微納加工、精細(xì)激光醫(yī)療、精密鉆孔、精密切割等精密加工領(lǐng)域。由于超短脈沖能將加工能量極快地注入很小的作用區(qū)域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運動方式發(fā)生變化，避免了激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴散等影響，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用機制，因此也成為非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、強場光學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)等科研領(lǐng)域強有力的研究工具。
相比飛秒激光，皮秒激光不需要為了放大而展寬和壓縮脈沖，因此皮秒激光器的設(shè)計相對簡單，成本效益更高，性能更可靠，并且已足以勝任當(dāng)前市面上高精度、無應(yīng)力的微細(xì)加工。但超快、超強是激光發(fā)展的兩大趨勢，飛秒激光在醫(yī)療、科研上也具有更大的優(yōu)勢。未來很有可能發(fā)展出比飛秒激光更快的下一代超超快激光。
超快激光在工業(yè)應(yīng)用的歷史不長，是歐美等發(fā)達(dá)國家重點布局的激光應(yīng)用熱點。目前，超快激光市場基本被國外公司主導(dǎo)，占據(jù)全球近90％的市場份額，但中國政府、科研機構(gòu)及企業(yè)對超快激光非常重視，政策傾斜及企業(yè)加大投入攻克難點技術(shù)，正在追趕國際先進水平。清華大學(xué)、中科院物理所／光機所、華中科技大學(xué)等高校均在大力推進超快激光科研；以大族、華日、安揚、貝林等為代表的國內(nèi)激光企業(yè)也在大力推進超快激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。據(jù)悉，華日激光預(yù)計年內(nèi)能實現(xiàn)飛秒激光器的量產(chǎn)，這將打破歐美在大功率超快激光領(lǐng)域的壟斷，帶動100億元規(guī)模以上超快激光裝備產(chǎn)業(yè)應(yīng)用市場。皮秒、飛秒超快激光器國產(chǎn)化將推動國內(nèi)應(yīng)用商的使用成本降低至少30％－40％，未來市場可期。
隨著德國“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的啟動發(fā)展，高端制造、智能制造、高精密制造的需求將顯著增加，尤其是消費電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，將帶來透明及半透明材料激光加工巨大的市場需求，是一個新的藍(lán)海市場。超快激光與先進微納加工技術(shù)將迎來新的發(fā)展機遇，預(yù)計到2020年超快激光器市場總額將超過15億美元。 |
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