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激光技术引领加工制造 应用细分化前景广阔

来源:中国光电网

关键词:激光技术研究方向 应用细分

2017-04-19

激光又被人们称为“最快的刀”、“最准的尺”。近年来,激光产业的蓬勃发展备受瞩目,激光加工卓越的优势已吸引了光通信、汽车制造、造船、冶金、航空航天、新能源、模具制造、医疗器械、半导体产业等产业的关注,并纷纷引进激光加工技术,在各种工序上发挥了至关重要的作用。
 
目前热门的研究方向概括一下有三个:
波长扩展:中红外;
高功率;
短脉冲。
 
常规参数的激光器也不是没有研发空间,比如使用一些新材料、新结构或开展应用工作。
 
1.先说中红外:
 
因为中红外波段的瑞利散射较弱,因此比较适合作为远距离空间通信的光源,特别是3.5~5.5um波段的大气窗口,缺乏增益介质,非线性频率变换也比较难做,是研究较热的一个方向。
 
还有就是该波段是许多分子的振动、转动能级,可利用吸收谱线对其进行分子识别。
 
获得中红外波段激光,目前研究较热的有个叫量子级联激光器的方向,复合一个电子同时,发射多个中红外波段的光子,而且波长可调谐,甚至可达到太赫兹,目前已有瓦级的商品化激光器。
 
此外,铅盐半导体也可利用俄歇效应辐射中红外激光,缺点是需要低温制冷。
 
 
而光纤激光器,还有二极管泵浦固态激光器(所谓DPSSL),波长取决于选择的增益介质,目前还很难得到3um以上的红外,主要是多声子驰豫影响激光的产生。目前主要是2um波段的掺铥、掺钬光纤\全固态激光器。
 
还有就是差频、OPO、OPA、OPCPA光源了,目前多以PPLN、PPLT、碳化硅SiC、KTP作参量晶体。
 
OPO调谐范围宽,可实现较高平均功率(>4W),商品化较成熟。
 
OPA、OPCPA的优点是单脉冲能量大。目前已有逆天的20mJ、20fs、20Hz的3.9um光源:(奥地利 维也纳技术大学的Baltuska课题组)
 
不过这么逆天参数当然离不开庞大的系统:
 
 
2.高功率方面,主要冲着工业领域、军工领域去的。
 
CO2激光器目前仍是主流技术,产品非常成熟,不鼓励去。
 
此外主要是光纤和板条、薄片激光器。
 
高功率激光的难点说白了就是散热,那么只有增大增益介质的表面\体积比,而光纤、板条、薄片无非是增大散热面的两种路线。
 
由于光纤通过相干合束可以成倍提升平均功率,因此可以达到高达万瓦量级的功率输出。这方面主要是公司在引领潮流,大学研究所多为百瓦、千瓦级别,工业界和科研界已有相当的差距。
 
高功率光纤方面,国外公司主要有IPG、Rofin(被Coherent收购)等。
 
以IPG为例:
 
一个模块1kW,放一起合束一下,想要2万瓦?有!~~想要10万瓦?有!~~
 
 
 
 
这是2013年ASSL会议上报道的10万瓦1070nm光纤激光器。国内公司主要有瑞科等。
 
薄片激光器,科研单位同样是做不过公司,如下是Trumpf的16kW薄片激光器镜组:
 
 
 
(泵光多次往返激发增益介质。)
 

不同于光纤激光器,大功率薄片激光器是将多个二极管泵浦的晶体薄片串联在一个谐振腔里,通过设计大模场的腔模式,与光纤激光器相比优点是可以运作在大能量上,而光纤运行在大能量模式上则难免造成较强的B积分,影响光束质量。
 
板条激光器:
 
板条激光器和薄片激光器的一点点差别在于,板条多为侧面泵浦或角泵浦。优点是工艺成熟,体积小,级联容易,缺点是光束整形难度高,比较难以得到较高品质因子的激光放大。板条也可达到万瓦级,是目前和化学激光器一样,是激光武器的主流。
 
 
 
 
从工业应用角度看,主要是因为脉宽越短,加工时间内的热扩散越小,加工精度高,不容易伤及无辜。
 
 
飞秒光与纳秒光的加工对比图:(德国汉诺威激光中心提供)
 
(a)200fs,120uJ                (b) 3.3ns, 1mJ
 
 
  飞秒光刻:(透明材料中加工光波导)
 
 
还有飞秒激光做眼科手术,同样是加工精度高,制瓣速度快,切割平整。
 
 
医学中的应用还有多光子显微镜和OCT。
 
图为双光子荧光和三次谐波技术结合的神经细胞图像。绿的是细胞核,紫的是细胞边缘。激光中心波长810nm。
 
此外就是科研中的应用。
 
飞秒化学啊、阿秒激光啦、光学频率梳啦、强场物理啊、激光粒子加速器啊、太赫兹源啊……应用相当广泛,每个都够写几百页,恕我不能展开了。
 
单纯研究超快激光器的话也有许多工作可以做,比如前面提到的光纤、薄片激光器,通过和超短脉冲技术的结合都已做到逆天的参数。
 
传统的CPA、OPCPA技术就不介绍了,目前发展主要瞄准高峰值功率、高平均功率、短脉冲、极紫外、中红外几个方向,而以上几个亮点相融合的工作,则受到高度重视。
 
例如前面提到的光纤和薄片,结合飞秒脉冲以及光谱展宽技术,各自实现了高平均功率的周期量级光脉冲。
 
这是2016年Jena 耶拿大学Tunnermann课题组的工作,通过级联的光谱展宽,利用660W的光纤放大光,经啁啾镜压缩后实现了216W、6.3fs的脉冲输出,重频127MHz。这个脉宽即使和常规的钛宝石展宽压缩后的脉宽相比,也毫不逊色。
 


 
像我这些做传统钛宝石CPA的表示——人比人得死,货比货得扔!~~  这是腿哥Oleg Pronin和我师兄张金伟做的薄片激光器:
 


 
 
通过光子晶体光纤进行光谱展宽,在90W、250fs入射下,获得了50W、19fs的压缩结果。光谱覆盖6.8~16.4um,也是不到两个周期。  超短脉冲激光方面,依然是光学领域的研究热点之一。不论是大能量、高功率、短脉冲还是频率扩展等等,仍有很大研究发展的空间和应用价值,欢迎有志青年入坑~~

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