2023美国西部光电展特别报道

1月31日至2月2日，美国西部光电展（Photonics West 2023，以下简称美西展）在加州旧金山莫斯克尼会展中心举行。近年来，美西展聚焦生物医学光学、生物光子学、工业激光、光电子、微制造、MOEMS-MEMS、显示器、量子技术（包括量子2.0）等多领域以及不同行业最新的研究成果。

SPIE.首席CEO兼执行总裁Kent Rochford博士谈到，2023年BiOS、Photonics West和AR|VR|MR三个展会都在接近2019年的规模。Photonics West 2023与超过1100多家公司联手一起，展示了行业最新的产品和服务。当回顾过去几年和展望未来几年时，他骄傲地表示，美西展是迄今为止对光学和光子学行业最具影响力的展会之一。

美西展的顺利举行，无疑为今年接下来的展会市场开了一个好头。我们希望这份好运能延续到国内，同样也期待更多的企业能在今年的光博会上有出彩和亮眼的表现。

芯片实验室和增材制造业得到提振，碳足迹大幅减少

今年的LASE全体会议和热门话题演讲描述了光子器件应用的“创新爆炸”，展示激光增材制造解决方案，并解释如何更好地管理碳足迹和供应链问题。

在美西展上举行的LASE全会和热点专题报告会上，公布了光子设备制造指甲盖大小的芯片方面的最新进展，以及增材制造（AM）特别是激光增材制造是如何缓解供应链问题和减少碳足迹的。

光子芯片只有指甲盖大小，但上面集成了很多功能应用

会议发言人Arnan Mitchell谈到，最近的技术发展导致了光子芯片行业提供更多样化的构件，以制造几乎任何可以想象的光子系统。Mitchell是墨尔本皇家理工大学的特聘教授和集成光子学和应用中心主管。事实上，他预测这些发展可以进一步激发创新光子设备的应用。

通过通快的新预成型工艺，基牙（如牙科修复体）可以更有效地制造，耗材更少

在过去一两年中，行业正在接受混合集成，从简单的光子芯片作为平台开始，然后在需要的地方加入更复杂的组件。传统上，人们认为光子芯片将在制造电子芯片的代工厂制造，当然是可以这样做。这也意味着需要投资大量资金而且会导致巨大的产量，但并不是每一种应用都需要大批量生产。

“数据通信应用程序使用光子芯片已经有几年时间了，”Mitchell继续说道，“最近，在用氮化硅和铌酸锂等材料实现真正低损耗、高性能的器件方面取得了许多进展，而以前仅用硅基材料无法达到同样的效果。”还有一些制造商正在开发新的材料平台，以填补适度的数量缺口，同时也为了满足行业每年对几千台成本合理的设备的需求。

他接着谈到，当前技术已经成熟，研究人员不再局限于实验室。现在，研究实验室将新光子学设备作为原型机，并开始寻找一条通往制造业的道路。光子芯片的新兴应用包括导航卫星或为月球上创建的互联网提供基础设备。这些设备也可能在化学传感器等应用中大有用处，例如用于疾病诊断的电子鼻，或者在无人机探测器中使用光子芯片测量树上水果的成熟度，以减少农业浪费。

他表示，现在可以使用可扩展的制造技术将激光器、探测器、调制器和光子学系统需要的所有部件集成到芯片上。这让每个人都有机会使用这项技术，而不仅仅是少数主要参与者。会议上，通快航空和医疗行业经理Eliana Fu表示，通过激光增材制造缓解供应链问题是建立在新冠肺炎疫情期间许多行业的经验/困境的基础上，当时短缺导致制造业停滞不前。谁能忘记集装箱货轮在苏伊士运河或加利福尼亚州洛杉矶港堵塞的画面？

Fu说：“一些短缺问题通过增材制造技术得到缓解，现场制造零件也减少了对外包供应商的依赖。通过激光粉末床熔融和激光定向能量沉积进行的3D打印，是靠近或在终端用户制造零件的理想工艺。这两种方法都使用金属粉末，通过激光或定向能量逐层熔化制造零件。”

通过使用上述两种方法制造零件，都可以显著缩短交货时间并减少碳足迹，这在经济上是有意义的并减少了浪费。很多时候，这些零件本来是通过传统机械加工从一大块材料上制造出来。现在，它们可以用激光和金属粉末按照规格打印出来。

再考虑到加工效率，设计师可以轻松设计像钛这样的轻质高强度金属，这对于航空航天等领域特别有帮助。例如，像航天器上的天线等高度专业化部件在其他地方通过传统方式很难加工成型。更重要的是，3D打印允许设计上有足够的的灵活性，从而减少制造零件的材料损耗，降低发射成本，增加有效载荷能力，减少整体碳足迹。

Fu表示，通快与用户合作并根据需求开发激光增材制造系统。这将是一种激光增材制造系统，供飞机制造商在现场制造高强度的结构装置。在疫情大流行期间，3D打印在用于制造呼吸机的零件以及诸如免接触门把手等设备方面表现优异。

在克服与大流行相关的供应链延误方面，一个特别成功的故事是假牙和牙科植入物的3D打印。因为快速成型的牙科植入物可以减轻患者等待牙科治疗的痛苦。根据形状不同，最多可将100个牙冠安装到一个标准的构建板上，使用一台激光设备可以在大约5小时内打印100个牙套，使用双激光可以在3小时内打印。64个印刷植入物相当于7.5台铣床的产量。传统的零件成本可以从每件100-150美元降低到15-20美元。

通快生产牙冠和种植体的3D打印系统是TruPrint 1000或2000。该系统使用标准红外激光束，典型功率为200-300W。“我们看到牙科医生使用小型的激光粉末床打印设备，很容易在办公室里就能完成，”Fu说，“加上更多的医疗从业者在护理点打印，使激光增材制造成为缓解供应链和航运和运输、碳排放等问题的解决方案。”

自由空间光学连接世界

研究人员正在克服阻碍自由空间光通信系统跨越全球联网的挑战。

长期以来，自由空间光通信一直被视为宽带数据传输的下一个重要领域。这项技术被业界普遍称为“没有光纤的光纤”，它可以使用电磁频谱的红外、可见光或紫外光，通过空气、空间和水提供点对点通信。它可以在室内外使用。这项技术所需要的功率也很低，但却可以提供高容量和抗电磁干扰能力。安装速度快，价格相当便宜。

出于这些原因，许多人将自由空间光学（FSO）视为发展中国家、偏远地区和灾难应对中宽带互联网接入的关键支持技术，并为未来6G网络所需的高速数据速率提供了一条有希望的途径。

Hao Hu 手持着一个实验集成光学相控阵

1880年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔首次实现了自由空间光通信，当时这位苏格兰发明家使用了照相电话在213m的距离上传输了调制在光束上的声音。现代自由空间光学系统由高功率激光器组成，该激光器将数据转换为激光脉冲并通过透镜系统发送。激光在进入接收器透镜系统之前穿过空气、空间或水。然后，高灵敏度光电探测器将这些激光脉冲转换回电子数据。

今天，地面上的实验性自由空间光学系统可以在几米内提供每秒千兆字节的数据传输速率，在几公里内提供每秒TB的数据传输率，而商业上的同类系统则在几公里外提供每秒GB的容量。例如2021年Aircision和TNO证明自由空间光学系统可以在2.5公里内可靠传输10 Gbps。

与此同时，近地轨道卫星和地面站正开始配备空间对空间和直接对地FSO通信系统，以实现全球宽带覆盖。美国宇航局的阿尔忒弥斯二号载人登月任务和“Psyche”轨道飞行器等太空任务正在使用机载激光系统发射，以实现深空和地球之间的高数据速率通信。随着这一系列应用的不断增长，预计到2031年FSO市场将达到41亿美元，复合年增长率为26.9%。

尽管数十年的研究仍存在挑战，其中包括长距离的光束发散、导致指向误差的不精确对准、恶劣天气下强烈的大气衰减以及大气湍流。在今年举办的美西展上，自由空间激光通信会议还是展示最新的研究和技术进步，以解决与实现FSO的全部潜力的相关问题。

完美的光学对准

例如，来自丹麦技术大学的Hao Hu发表了关于对FSO系统校准和跟踪的解决方案。他解释道：“自由空间光通信中的窄光束意味着发射器和接收器之间的对准需要非常精确。传统会使用机械装置进行对准，但这种方法速度相对较低，而且需要非常稳定的固定平台。”

为了解决这个问题，Hu的团队开发了一种基于集成光学相控阵的新型芯片波束控制技术。这种技术在射频通信中使用了一个多世纪，相控阵由多个相干发射器组成，其干扰模式可以通过每个发射器的相位来控制，以增加沿所需方向辐射的功率，并在其他地方对其进行抑制，基本上无需对系统的任何元件进行物理重新定位，即可控制所产生的波束。

到目前为止，因为受限于在视场（FoV）和光束质量之间的权衡，光学相控阵尚未在FSO系统中使用。如果波导光栅阵列发射器的间隔为半波长或更小，则180°视场是可能的，但这会导致相邻波导之间不可控的强耦合，增加了背景噪声。如果发射器间距大于半波长，则会产生强相长干涉并产生光栅波瓣，从而导致混叠并限制视场。

为了克服这一限制，Hu的设备用波导超晶格代替了波导阵列发射器，然后用梯形平板光栅作为单个发射器。他所在的团队最近展示了由此产生的光学相控阵，该相控阵在180°视场高速（>10 kHz）下实现了高光束质量的2D无混叠波束控制。此外，集成器件是在硅光子学平台上制造的，可以在CMOS铸造厂中以高体积和低成本生产。

他认为，这一进步对FSO通信和许多其他领域具有重要意义。自由空间光学对准可以更快，但也可以在高性能光探测和测距系统中利用这一技术，并作为自动驾驶汽车等领域的应用。他期待与学术界和工业界的潜在合作者会面，帮助推进这项技术发展。

德国费迪南·布劳恩研究所展示激光
和UVC LED的技术进步

在美西展上，来自德国费迪南·布劳恩研究所（Ferdinand-Braun-Institut，FBH）的研究人员展示了激光二极管和紫外线（UVC）LED的多项进展。

目前的新发展包括在千瓦级泵模块方面的最新进展，它被推向1.5μm左右的较长波长，以及基于UVC LED的辐照系统，能够消除抗微生物的病原体，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和对甲氧西林敏感的金黄色葡萄球菌（MSSA）以及病毒。

此外，FBH还强调了新型紧凑型光纤耦合放大器模块，通过偏振维持单模光纤提供几百毫瓦的连续波输出功率。该研究机构的报告表示，这些模块是为超分辨率显微镜设计的，但可以根据进一步的应用进行灵活调整。基于半导体的放大器系统可选配非线性晶体，通过二次谐波产生实现可见激光输出发射。

为了提供必要的种子功率，可以使用任何任意的光纤耦合激光源，这意味着在1122nm处的50mW输入功率可以在相同波长下产生超过450mW的输出功率，或者当使用集成非线性晶体时，在561nm处产生超过200mW的输出。

FBH 的单片ECDL 在波长范围内提供超窄线宽发射，包
括碘光谱的1064nm 和双光子铷光谱的778nm

“这一概念并不局限于特定的波长，并且在几乎任何波长下都可以放大输出发射，”FBH补充道，“可以实现630nm-1180nm的范围。”其他创新包括用于锶基光学原子钟的红色分布式布拉格反射镜（DBR）激光芯片，发射波长在689nm-712nm之间。FBH声称：频率稳定性，记录谱线宽度仅为0.4 MHz，使激光器适合于激光冷却、再泵浦和激发时钟跃迁。

该器件的特点是在芯片中集成了光栅，与具有外部光栅的可比系统相比，它产生了更紧凑的激光器，这触发了在卫星部署量子光学传感器中的潜在应用。

FBH为光谱学而开发的，它也在基于GaAs的窄线宽扩展腔二极管激光器（ECDL）中展示了最近的成果，这些激光器被转移到单个芯片上。这些器件基于两步生长的理论，FBH表示，该理论适用于生产不同波长的单片ECDL，包括用于碘光谱的1064nm超窄线宽芯片和用于双光子铷光谱的778nm超窄带宽芯片。

展会新品速递

通快

在本次展会上，通快展示了全新的TruMark 7050激光打标设备，作为TruMark Station 7000系列的一部分；新型TruFiber 6000 S光纤激光器，用于快速、深度雕刻；新型TruMicro 6020超短脉冲激光器和紧凑型TruMicro 2030超短脉冲激光器，具有LLK-µ工业化光纤传输。

TruMark Station 7000系统的新一代产品——TruMark 7050激光打标系统，非常适合于高速标记、快速深激光雕刻、大规模表面结构化、快速烧蚀、激光清洗、切割箔和异种金属点焊。

通快光纤激光器S 系列

TruMark 7050使用平均功率为200W、峰值功率超过10kW的激光源，以实现高处理速度和短循环时间。新的TruTops Mark 3D软件用于标记和材料处理，以3D显示每个步骤，现在已针对类似和不同金属的焊接进行了优化。

通快的全新光纤激光器TruFiber 6000 S将被引入北美市场，用于苛刻的工业焊接和切割应用。多功能TruFiber S系列将强大的光束源与BrightLine Weld等先进功能相结合，该技术可提高工艺质量和生产率。BrightLine Weld可以通过二合一激光电缆在核心和周围环之间分配全部激光功率。TruFiber 6000 S的光束传输系统具有一个或两个输出，可将激光传输到两个系统。连接和断开激光电缆既简单又方便，使TruFiber S成为大型生产线的最佳选择。

新型TruMicro 6020超快工业激光器可产生高脉冲能量，用于玻璃等透明材料的改性和切割，并可用于突发模式以实现更高的能量积累。TruMicro 6000系列的超短脉冲激光器提供了闭环反馈控制，可以实现高功率稳定性和脉冲能量。TruMicro 6020还提供了绿光（515nm）和紫外（343nm）波长。紧凑的设计和小巧的占地面积使设备更容易投入生产。

同样易于集成的是紧凑型TruMicro 2030超短脉冲激光器。TruMicro具有用于快速激光切割或焊接玻璃零件的特殊光学器件，具有优异的边缘质量，以及LLK-µ工业化光纤传输。具有该多功能的激光器能提供可变脉冲宽度、脉冲爆发和按需脉冲，并具有中空芯的飞秒红外光纤放大器。LLK-µ工业化光纤传输允许受控的束内耦合和外耦合，并保持光束和脉冲特性。TruMicro 2000系列激光器专为高效、精密的微加工而设计。

通快展示的视觉性能光学器件和传感器包括适用于高激光功率应用和大扫描场的第三代可编程聚焦光学器件（PFO）33，以及PFO小场扫描仪。用于高功率激光应用的PFO 33配备了新的VisionLine OCT Detect，它将反射光成像与光学相干断层扫描（OCT）相结合，以区分三维特征。

OCT传感器与加工激光同轴扫描部件，独立于各自的照明和夹紧情况工作。生成的3D信息可用于定位和检查构件特征，例如构件的高度偏移。通快还将展示新的PFO SF，该SF具有紧凑的光学器件，可用于小工作场中的光束振荡。

IPG

IPG Photonics在本次美西展上亮相了三款深紫外激光器，此类激光器采用专有的非线性晶体，提供比使用常规频率转换材料的激光器更稳健、更灵活的解决方案，为众多工精密微加工应用提供了稳定可靠性。

波长为266nm的3W连续单频光纤激光器，可用于检验、光刻、FBG写入、光盘重新刻入和光谱学应用；波长为266nm、最大脉冲能量 2μJ@1.5 ns，平均功率5W的纳秒脉冲光纤激光器，可应用于在玻璃、钻石和聚四氟乙烯等具有挑战性的材料上进行微切割、钻孔、表面织构、标记和选择性材料去除；波长为257nm、最大脉冲能量5μJ@1ps，平均功率5W的皮秒脉冲光纤激光器，可用于PCB、柔性电路、LED和平板显示应用的微切割、钻孔和选择性材料去除。

IPG 深紫外激光器

深紫外激光器可使电子设备、显示器、半导体和医疗行业的制造商实现精度更高的加工工艺，同时满足现有行业对于高可靠性和正常运行时间严格要求的工业标准。基于光纤结构的IPG新一代深紫外激光器提供了一个易于集成、紧凑、轻便的输出头，通过一根光纤与紧凑的激光光源连接。这款激光器的外形小巧、灵活，非常适合于精密微加工和材料加工工作站的集成。

同期，公司还推出了6种高效半导体激光器解决方案，这些解决方案在工业加热和干燥应用中具有众多优于热烘箱的优势。此次推出的6种新型半导体激光器解决方案（DLS-ECO）旨在取代效率较低的红外灯泡和造成环境污染的燃气炉，用于工业加热和干燥应用。二极管加热器的功率转换效率极高且对周围工厂环境的影响超低，因此其拥有的成本和投资回报率具有很大吸引力。

这些新半导体激光源的输出功率范围为3.5-40 kW，具有行业超高的电光转换效率（超过52%）。此类半导体激光器加入IPG久负盛名的YLS-ECO激光器系列，该系列激光器采用IPG超可靠的激光二极管，操作效率超高。
二极管加热器在低温下操作，不会浪费能量来加热绝缘墙或工厂地板。100%固态光源以激光方式将能量引导至正在处理的介质上。在各批次之间，二极管加热器关闭，而非处于空运行状态，因此在不需要时不会消耗能量。

激光可以深入至表面下方实现干燥，提供比对流热炉更有效的干燥过程，这意味着DLS-ECO解决方案的体积缩小4倍，速度加快4倍。开放和寒冷环境便于引入热计量，通过实时在线温度调整，从而实现严格的过程控制。DLS-ECO非常适合干燥工业涂料（例如，电池浆料、油漆或粉末涂料），并可用于需要极其严格的过程控制应用（例如，半导体晶圆加热）。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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