2024年棱镜奖专题丨EKSPLA 30W工业级飞秒激光器

此前，国际光学和光子学学会SPIE公布了2024年棱镜奖（SPIE Prism Awards）入围者名单，今年共有27家公司成功入围。其中，共有三家公司成功入围激光器类别，分别是EKSPLA（FemtoLux 30）、inPhocal（PHOC-1）、通快（TOP Cleave 3D）。

 

之后，我们将分期介绍这三款激光器产品，为读者呈现国际领先激光企业的产品和前沿技术。本期内容是来自EKSPLA公司的FemtoLux 30，这是一款30W工业级飞秒激光器。

 

 

EKSPLA
——FemtoLux 30
FemtoLux 30飞秒激光器从一开始设计就具有高可靠性、无缝集成和24/7/365不间断零维护采用创新的“干式”冷却技术。FemtoLux 30的可调脉冲持续时间从<350fs到1ps，并可在AOM控制的宽脉冲重复率范围内工作，从单发到4MHz。

 

使用单脉冲时，最大脉冲能量超过90μJ，在脉冲串（burst mode）模式下可达到250μJ以上，从而确保更高的烧蚀率和处理不同材料的能力。FemtoLux 30的光束参数可满足苛刻的材料和微加工应用要求。创新的激光控制电子装置确保了对FemtoLux 30可在不同平台（Windows、Linux或其他）上运行、Linux或使用REST API命令的其他平台。轻松实现集成，减少时间和人力成本。

 

 

“干式”冷却，直接制冷冷却系统
FemtoLux 30飞秒激光器采用了创新的冷却系统，在工业激光器中树立了新的可靠性标准，并且不需要额外笨重的水冷却设备。冷却器需要定期维护，冷却系统排水和冲洗以及更换水和颗粒过滤器。此外，漏水会导致损坏激光头和其他设备。

 

 

简单可靠的冷却板附件

 

与用水从激光头传递热量不同， FemtoLux 30飞秒激光器采用直接制冷剂冷却方式。制冷剂通过柔性线路从PSU集成压缩机和冷凝器循环到冷却板。整个冷却回路永久密封，无需维护。冷却板可从激光头上拆卸，便于安装。激光冷却设备与激光电源单元集成在一个4U机架式外壳中，总重量为15kg。

 

 

千兆赫脉冲串选项
Femtolux 30飞秒激光器可在单脉冲模式、兆赫脉冲串模式和千兆赫脉冲串模式下工作。基于有源光纤环（active fiber loop，AFL）的脉冲串形成技术是一种非常通用的方法，因为它可以克服其他基于光纤或固态技术所遇到的许多限制。任何所需的脉冲串内PRR都可以独立于主振荡器的初始PRR而实现；保持GHz脉冲串内相同的脉冲间隔。

 

短GHz脉冲串

图1：在31.5W平均输出功率条件下测量的2.2GHz脉冲串内PRR脉冲串，包含不同数量的等幅脉冲

 

长GHz脉冲串

图2：（左）以233kHz脉冲串重复率测量2.2GHz预形脉冲串，共1000个脉冲，以获得所需的矩形脉冲串形状；（右）以233kHz脉冲串重复率测量2.2GHz非预形脉冲串，共1100个脉冲

 

MHz+GHz脉冲串模式

图3：（左）测量4个50MHz BRR脉冲串，包含4个2.5GHz脉冲串内PRR；（右）测量10个50MHz BRR脉冲串，其中包含10个2.5GHz脉冲串内PRR

 

Femtolux 30飞秒激光器可提供短脉冲串和长脉冲串形成模式。短脉冲串的脉冲串宽度可达约10 ns（在GHz脉冲串中有2到数十个脉冲）；长脉冲串的脉冲串宽度从~20 ns到几百ns不等（GHz脉冲串中的脉冲数从几十个到几千个不等）。

 

 

 

按需脉冲（Pulse-on-Demand，PoD）
传统的激光触发技术，难以在高速条件下保持等间距脉冲（图4、图5）。按需脉冲功能解决了这一难题，实现了高速微加工（图6）。PoD功能使激光器只在需要时才发射脉冲，而不是以恒定的速率发射，从而实现了对激光输出的精确控制，提高了效率、精度和质量。

 

图4：复杂形状扫描采用基于时间的激光触发模式，脉冲重复频率为200kHz，扫描速度为6m/s。扫描从右上角开始到右下角区域。重叠的脉冲导致区域过热

 

图5：使用基于位置的激光触发模式扫描复杂形状，间距为30μm，扫描速度为6m/s。扫描从右上角开始到右下角区域。数十微秒的抖动导致随机脉冲间隔

 

这种能力在各种微加工应用中尤为重要，因为在这些应用中，高加工速度、恒定能量和精度是必不可少的。为了高速跟踪复杂的曲率并保持等间距，有必要确保调整脉冲的重复率。为了达到这些要求，就必须确保调整脉冲的重复率，以高速跟踪复杂的曲率并保持等间距。

 

图6：使用按需脉冲（PoD）和基于位置的激光触发模式扫描复杂形状，间距为30μm，扫描速度为6m/s。扫描从右上角开始 右下方区域。PoD功能可在高速扫描时保持等距脉冲间隔

 

使用基于位置的激光触发，由于激光系统的自身限制，抖动将从几微秒到几十微秒不等，这将导致脉冲间距的随机性。另一方面，使用基于时间的激光触发会导致过热区域，原因是脉冲过度重叠。FemtoLux 30飞秒激光器具有按需脉冲功能，其抖动可低至20毫微秒（峰峰值），因此，它能应对所有挑战，最大限度地提高高速加工的效率、精度和质量。

 

 

材料加工案例
透明材料

硼硅酸盐钻孔，来源：FTMC

 

透明材料（如玻璃/蓝宝石）是一种令人着迷的材料，卓越的性能使其几十年来一直深受研究人员和工程师的青睐。其坚固性、耐化学性、透明度和经济性使其成为多种应用的理想选择，从微流控设备、光学元件到电子元件。

 

熔融石英研磨，来源：FTMC

 

蓝宝石研磨，来源：FTMC

 

飞秒激光微加工技术将透明材料加工带入了一个新的阶段。现在，可以通过钻孔、切割和铣削等方式选择性地去除材料，从而精确地制造出复杂的结构。

 

 

聚合物
聚合物具有柔韧性、耐久性和易加工性等优异特性，正在彻底改变各行各业。利用飞秒激光加工聚合物为复杂结构的精密制造开辟了新途径，它可以选择性地去除聚合物，精度高且热效应小。

 

光聚合，来源：WOP

PCB绝缘层去除，来源：FTMC

 

飞秒激光加工还可用于光聚合，这是一种对单体或预聚合体进行选择性聚合的工艺，以亚微米级的分辨率、高精度和可重复性创建复杂的三维结构。

 

 

金属

GHz脉冲串表征下的不锈钢（左）和钛膜（右）着色，来源：Akoneer

 

金属尤其是不锈钢，凭借机械、化学和美学特性，已成为现代工程和制造业不可或缺的一部分。其多功能性使其被广泛应用于航空航天、汽车、建筑和医疗设备等领域。

 

不锈钢切割，来源：FTMC

 

飞秒激光技术为金属微加工带来了革命性的变革，为创造视觉震撼、复杂精密且热影响区最小的结构提供了可能性。飞秒激光可以加工出复杂的形状和特征，同时还能进行黑/白打标和着色，而无需使用化学添加剂。