高功率皮秒/飞秒激光器开创应用新天地

激光器、二极管泵浦碟片激光器技术均在20世纪90年代获得了长足发展，使其成为了工业领域千瓦级连续应用最可靠的技术选择。

　　光纤激光器技术和碟片激光器技术比传统的棒状激光器技术更为优越，因为它们采用了比激光激活体更大的散热面，使TEM00连续运作的功率水平能达到500W甚至更高。在同等的亮度下，细小的光纤芯径使得光纤激光器内的激光强度要远远高于碟片激光器。

　　然而，当放大皮秒脉冲和飞秒脉冲时，高光强会导致非线性效应，如自相位调制或拉曼散射，这需要在超快光纤放大器中增加复杂的啁啾脉冲放大，或将可获得的最大脉冲能量限制在6μJ甚至更低。用碟片激光器技术作为皮秒脉冲的放大器，能够实现高峰值功率（高达100MW）和低光强，并且不会产生非线性效应。

　　为了实现具有高脉冲能量（高达250μJ）和高平均功率（高达100W）的皮秒激光器，需要使用具有以下独特配置的主振功率放大器：一个基于电信组件的被动锁模光纤激光器，作为一个单片集成的、具有成本效益的、可靠的光源，用于低功率和低脉冲能量皮秒脉冲的产生。

　　利用碟片激光器将光纤激光器的输出功率放大5个数量级，达到红外功率超过100W，绿光功率达到60W，脉冲频率范围200~800kHz，无需使用复杂的啁啾脉冲放大器。即使在这些功率水平，也能实现M21.3的卓越光束质量。此外，对于激光器的每个可选的参数组合，其输出光束质量均能保持上述水平。

　　到达工件的功率

　　利用超快激光实现精细加工，最主要的任务是操纵激光束，并将激光功率转换成最大的生产效率和质量。整个加工过程需要充分考虑工件的几何特征以及加工精度等要求，构建最终的加工系统。该系统将需要一套的光学元件，如扫描仪、F-Theta透镜、聚焦元件、波片、穿孔光学元件，以及许多其他元件。

　　整个加工过程还需要考虑线性或旋转加工。无论是最先进的线性加工，还是扫描仪，都没有动态应用超过1MHz的脉冲频率，尽管激光技术可能为这方 面的发展做好了准备。

　　喷油嘴钻孔

　　生产节油、低排放的发动机，是汽车行业面临的一个重大挑战，解决这个问题的关键是实现更加清洁的燃料燃烧，这个问题可以通过优化燃油喷嘴来实现。

　　用高功率皮秒激光器钻孔喷油嘴，产生了非常尖锐的边缘，孔内没有毛刺或熔化，表面非常光滑，从而能实现最优化的燃料喷雾。此外，喷油嘴的锥度可以从正值、零值到负值，为优化喷射过程提供了一定的自由度。50W的平均功率与高达250μJ的脉冲能量相结合，能够实现高速、高质量的钻孔（见图2）。

图2 用高功率皮秒激光器和螺旋钻孔光学元件进行喷油嘴的钻孔，

产生的无毛刺和光滑的孔

　　半导体晶圆切割

　目前，从一块硅片上分离出计算机芯片的最先进的方法是用金刚石锯切割。然而薄硅片非常易碎，这回也是金刚石锯切割所面临的一大挑战。由于存在机械接触，晶圆在锯割的过程中必须非常小心谨慎，以避免破坏晶圆或是在切割边缘产生破损。

　皮秒激光器与高速和精密线性加工相结合，可作为一种非接触式工具实现比金刚石锯更快速的晶圆切割。使用皮秒脉冲激光器的另一个优点是：其能实现更高的切割质量以及可以忽略的热影响区，这样切割边缘将具有更高的强度，这对于晶圆在下一个处理步骤中保持良好的机械负荷非常重要（见图3）

图3 用皮秒脉冲激光器切割半导体晶圆，不但能提高生产量，

还能改善切割质量，并且切割边缘具有更大的强度

　　心血管支架切割

　心血管支架制造商正在试图利用高分子材料的优势，例如可吸收性。使用连续光纤激光器或固体激光器实现的最先进的激光聚变切割，只适用于切割金属支架，并且会产生融化和毛刺，这将需要昂贵的后续处理过程，同时也降低了产量。

　　选择适当的波长、切割元件和旋转加工，皮秒激光器能实现与熔融切割相匹敌的切割速度，并在切割质量方面具有明显优势，能将后续处理降低到最低程度，进而提高生产量。此外，相同的皮秒激光器可用于切割聚合物及其他非金属支架，能实现较高的切割速度与切割质量，使其成为用于医疗设备制造的一种具有潜力的切割工具（见图4）。

图4 用于心血管支架和其他医疗设备的主要材料

　　适当的波长、切割元件和旋转加工，能使皮秒激光器实现高速切割，并且能获得较高的高分子材料切割质量，这些材料是开发出来用于心血管支架和其他医疗设备的主要材料。

　　显示器玻璃切割

　　显示器制造商正在寻找新的切割解决方案，要求切割后玻璃的边缘具有较高的强度。此外，显示行业的发展趋势正在向超薄玻璃和化学硬化覆层玻璃发展，并且需要灵活的形状以实现时尚设计。

与硅类似，玻璃是一种脆性硬质材料。最先进的显示器玻璃