德国开发新型超快激光器，以实现更高效的材料加工

飞秒激光可用于制造高精度微结构，例如智能手机显示屏和各种汽车技术应用所需的微结构。近日，德国波鸿鲁尔大学（Ruhr University Bochum）的Clara Saraceno教授正致力于开发一种更便宜、更高效的激光技术，并将其推向市场。

她刚刚获得了欧洲研究理事会（ERC）15万欧元的概念验证资助。她的项目名为“用于GHz 消融的超快2.1µm钬激光器”（Giga2u），为期18个月。标准飞秒激光器发出的光脉冲波长为1微米，持续时间为数百飞秒。每个脉冲的能量很高，系统也很昂贵。Saraceno是该校光子学与超快激光科学小组负责人，她评论说：速度更快、效率更高、成本更低的新型激光器可能成为市场上的一项关键技术。

Clara Saraceno教授

Saraceno目前正在开发波长为2.1微米、重复频率为千兆赫的飞秒激光器。这种激光源所需的能量更少，可能比目前工业上使用的短波长系统更可靠。它们还有望降低成本，加快生产速度。不过到目前为止，这种系统只用于研究应用，如光谱学。

研究项目旨在在证明该技术在工业应用方面的潜力。这种系统主要用于加工玻璃和聚合物，也可用于消融水性组织。后者对激光手术的未来应用方向很有帮助。Saraceno领导的研究人员希望开发出一种紧凑、稳定的激光原型，并探索该技术的市场潜力。在此过程中，该小组还打算为成立一家新公司奠定基础。

回眸十年发展

2013年，使用脉冲持续时间在100fs至10ps之间的超快激光器进行材料加工技术，荣获了当年的“德国未来奖”，成为一项极具前景的高科技应用。虽然当时商用超快激光器的工业标准平均功率在50W左右，但同年，Negel等人首次展示了平均功率超过1kW、脉冲能量超过1mJ的超快激光器，证实了这项技术的潜力。

超快激光器平均功率的演变

上图显示了多年来超快激光器平均功率的增长情况。深蓝色方框代表当时研究实验室达到的最大平均功率，浅蓝色方框指的是刚才提到的激光器。绿色三角形代表用于工业应用的典型商用超快激光系统的平均功率。

2017年，Nubbemeyer等人展示了一种平均功率为1kW、脉冲能量为200mJ的1ps激光器，这比实际工业激光器大了近四个数量级。2020年，Müller等人演示了平均功率超过10kW的激光器。由此可以得出结论，超快激光器的平均功率受制于一种摩尔定律：这些激光器的平均功率每三年翻一番，目前还看不到极限。

此外，研究实验室中激光器达到的平均功率比标准工业激光器的平均功率高出约10年。这意味着，平均功率为10kW的超快激光器将在2030年成为工业标准。如今，使用超快激光进行材料加工仍被视为一项新兴的、极具前景的技术。这恰恰说明了这样一个事实，即只有少数工艺在大规模工业应用中得到了确立，特别是切割玻璃，例如用于塑造智能手机显示屏的玻璃，而且还远没有完全挖掘出这项技术的潜力。

微切割、精确深孔钻孔或旋转对称形状的“激光车削”等烧蚀工艺可以成功应用于细分市场，但目前的平均功率仅为几十瓦。超快激光技术的市场渗透率仍然有限，原因之一是几乎每种应用都需要开发量身定制的工艺。这使得通过数量降低成本变得更复杂。

然而，当今最大的挑战是如何提高超快激光应用的生产率。激光加工的生产率可以用单位时间内加工材料的体积来表示，如下图。

其中，ηP是整体加工效率（考虑吸收和热损耗），hV是特定材料的特定加工过程所需的特定体积能量，Pav是平均激光功率。这个简单的等式表明，当工艺效率V保持不变时，生产率基本上只取决于材料，并与平均激光功率成线性比例。

因此，上图所示的平均激光功率的增长有望使可实现的生产率得到持续、强劲的提高。遗憾的是，这种简单的可扩展性受到了物理限制，影响加工效率和质量。这些限制来自于材料的物理特性、加工参数、加工系统。

未来趋势

激光材料加工不断推动着从医疗技术（例如，激光在药片上钻孔以控制药物释放）到半导体制造（例如，激光退火以减小特征尺寸）等领域的先进技术的发展。这些技术进步源于激光性能以及运动控制和自动化系统的进步，这些系统引导光束将待加工部件快速、精确地移动到准确的位置和时间。速度和定时，对于激光、定位系统以及多轴运动与激光点火顺序的精确同步至关重要。

在材料加工方面，时间越短，效果越好。超快激光器的脉宽极短。优化的工艺参数通常还包括其他规格，如波长、重复率、脉冲能量等

在微米和亚微米尺度上生产具有功能性结构和几何形状且无附带损伤的部件，是下一代激光工艺的发展方向。超快激光器制造商在其中发挥着关键作用。超快激光器在烧蚀（直接去除材料）和非烧蚀过程中具有广泛的应用潜力，可用于各种脆性、柔性、有机、合金和复合材料加工。

特别是在使用皮秒或飞秒激光直接去除各种材料时，激光烧蚀具有明显优势。在这种情况下，使用最佳工艺（最佳通量、小焦斑尺寸和小于10PS的脉冲）可以实现高烧蚀率，同时将热影响区（HAZ）降到最低甚至没有。

长脉冲激光束对表面和周围材料的破坏作用

超短激光脉冲不会影响表面，最大程度地减少了对周围材料的热传导，避免了微裂纹和熔化区

使用短脉冲激光器可实现干净、高度局部化的激光烧蚀，降低对工件造成机械或热损伤的风险。这些短脉冲激光器能够分辨出亚微米级的精确特征和纳米级的单层。超短脉冲实现了所谓的“冷烧蚀”，减少了热量从加工点扩散的机会，因为加工点直接吸收了激光能量，从而避免了负面的热效应。

飞秒激光烧蚀玻璃（与纳秒激光烧蚀相比）的优势令人信服（来源：intechopen）

因此，使用超快激光可以非常有效地对许多材料（如聚合物）进行超精密微加工，而这些材料很容易因热量积累而受到附带损害。还有许多非烧蚀工艺可以利用这些激光。例如化学强化玻璃(CSG)切割、飞秒激光诱导化学蚀刻(FLICE)、光纤布拉格光栅(FBG)、刻蚀和双光子聚合(TPP)。