激光行业的热门话题--超短脉冲激光器

作者：Ronald D. Schaeffer    来源：《Industrial Laser Solution》

欢迎访问e展厅 展厅 1 激光器展厅 半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ... 随着越来越多的企业举身投入到工业激光器领域，加上工业激光器的尺寸在缩小，成本在降低，而规格参数却在不断扩大，超短脉冲激光器目前在工业激光器世界倍受瞩目。在最近举办的慕尼黑光博会上，各种不同输出规格的超短脉冲激光器令人耳目一新。 本文介绍的超短脉冲激光器被界定为脉冲长度小于1纳秒或更短。众所周知，激光器显微加工要实现边缘切割齐整，需要高性价比的产品，以及最关键的峰值功率强度。而这可以通过使用超短脉冲、超高脉冲、超小光斑尺寸或者综合使用以上所有方式来实现。在这些条件达到最优的时候，即使在波长“透明”的材料中也能实现边缘切割齐整的加工要求，而这几乎与波长无关。确切机制是很复杂的，而且仍存在一些争议，但确实能产出边缘切割齐整的激光加工零部件，而极少甚至完全不需要后期加工处理。 激光器不同的连续波意味着激光灯总是亮着，对于超短脉冲激光器来说，激光灯亮的时间相对极短。 比如，如果一个激光脉冲是100飞秒，那该激光器的重复率是100Hz，则该激光器实际开动的时间要比关闭的时间少多个数量级。实事求是地说，可以将坐标系统转换成我们人类容易理解的坐标系。如果100飞秒转换成1秒，在第一个脉冲后大约3.5年会有第二个脉冲，或者从另一方面说，激光关闭的时间比开着的时间长1亿倍。 公司反馈 当准备写这篇文章时，我们对表1和2中所列的所有公司的负责人做了一次问卷调查，并将他们的反馈相互关联起来。虽然这绝不是一个完整的调查，但也包括了激光加工市场上的大部分主要参与者，在此也向没包括在内的厂商表示歉意，同时非常欢迎你们的反馈。表中参与者被划分为皮秒和飞秒激光器，虽然在某些情况下这两者之间会有重合。表中的排名仅代表大多数标准产品线，尽管许多公司生产的定制系统的技术指标会超过表中所列的系统。 皮秒激光器 表1显示了皮秒激光器的主要供应商。在大多数场景下，基本波长是1064毫米，通过使用多种不同的技术获取。通常，商用上的可用输出功率会达到50瓦，TRUMPF和Edgewave这样的制造商能够达到几百瓦。大多数的被调查者表示，在几乎所有场景下，每一步的第二和第三谐波的转换效率在50%左右。一些供应商也提供了第四谐波，但这些往往非常昂贵，甚至与第三谐波比起来，光学降解非常快。 在表格的“优点”和“计划”栏中，包括了尺寸更小，功率更高，每次脉冲的频率更高，脉冲长度更短以及成本更低。此外，一些供应商正寻求通过使用更快速的扫描器（这在试图使用极高重复率时存在很大的限制）等应用工作来改进激光器之外的加工工艺，并为客户的定制应用提供支持。这是极为关键的，因为拥有了世界上最好的激光器，并不意味着就会自动获得最好的加工效果。同时还需要相应的优良系统组成部件，如光学器件，扫描器以及软件。 有趣的是，相干（Coherent）公司（年收入近10亿美元）在去年收购了Lumera公司后，现在提供两种貌似互相竞争的产品——Talisker和Lumera型号激光器。目前尚不清楚未来将是何种状况，但目前来说，似乎Lumera激光器解决的是高功率和低功率的需求，而Talisker解决的是剩余的其它需求。 飞秒激光器 表2展示了主要的飞秒激光器供应商。所列的大多数供应商的输出功率能够达到25瓦，使用放大器技术后能够达到几百瓦。基波波长随着基础技术的不同而不同，大多数波长介于1028纳米至1064纳米，例外情况是大家都知道的Raydiance和Rofin。尽管使用更长的基波波长可能会带来好处，但并不适合更高的谐波，因为即便是四倍的波长，波长仍然只有375微米，还不是紫外线范围。在多数应用中，只要能够获得所需的光斑尺寸，这并不是问题。即便是在能够100%完全吸收光子并且没有热影响区域的情形下，简单的物理学也限制了使用红外光子时能够获得的目标上的光斑尺寸，因此在这些情形下，需要最小的光斑尺寸，频率转换非常重要。 这张表中所列的大多数公司只制造飞秒激光器，他们的优点中也列出了这一长期专长。尽管每一家公司都看重更低的成本，更高的功率和更小的尺寸，Spectra-Physics公司却正在寻求“破坏性”的性能，为了能从同行中脱颖而出，这可能是必须的，尽管还在探索达到目标的方法。 表格中未涉及脉冲波形的时序和空间问题。拥有性能良好、界限明确、边缘切割整齐的脉冲，而需要极少或不需要基座，这至关重要。图1展示了一个不需要基座和底部的边缘切割整齐的脉冲。此外，对于大多数应用来说，需要圆形高斯光束，如图2所示。 关于“优点”，一些公司表示他们并不只是提供激光器，而且提供全面的整体解决方案，意即不只是提供激光器，还提供光学器件和应用。这值得关注，因为很多情况下普通读者并不清楚什么和例如400瓦的飞秒激光功率相匹配。此外，到底需要多短的脉冲，是否可以在不损害其它性能的情况下实现？例如，由于超短脉冲激光器（低于100飞秒）的大型带宽，光学器件成了一个难题，特别是在聚焦小型光斑时。因此，使用150-200飞秒范围内的脉冲可能更好，这对于多数应用来说已经“足够短”了，而且还不必费力地应对光学问题。这类激光器市场包括医疗器械制造，玻璃、蓝宝石及其它质地坚硬物质以及易碎物质的切割和刻痕，以及航空应用。 其它需要考虑的因素 最后，必须考虑订货至交货的时间以及成本，包括资本成本和运营成本，由于需要考虑的方面很多而未一一列出，包括期权、汇率和折扣。但是，上述大多数激光器的成本在2500，00美元至350，000美元之间，激光器的功率越大（或超短脉冲激光器）成本越高。运营成本难以确定，但肯定会高于纳秒激光器。标准产品的订货至交货时间从8周至10周不等，大功率产品则可能超过6个月。另外一方面，一些皮秒激光器在价格方面尤其具有吸引力。例如，Ekspla公司和Attodyne公司认为其产品比同类产品相比的优势在于成本要低1/3。这使得其成本极为接近纳秒激光器，而且很明显成本差异将迅速消失。因此，对于大多数微加工应用来说，尚不清楚今后有无必要使用纳秒激光器，特别是在成本差异可以忽略不计的情况下。 致谢 感谢上文提及的所有公司以及热心为我们提供其产品技术信息和数据的人士，所有数据并未一一列出。 Ronald D. Schaeffer 博士，(rschaeffer@photomachining.com)是PhotoMachining 公司首席执行官。他还是《工业激光解决方案》编辑顾问委员会的成员，《激光微加工基础》一书的作者。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/15/2014)