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超快激光微加工:烽火突起,谁主沉浮

来源:激光内参

  发布:星之球科技

关键词:超快激光 微纳制造

2017-08-10

市场风云涌
 
超快激光微加工是目前激光先进制造产业公认的热点。
 
专门研究光子与激光行业发展趋势的Strategies Unlimited公司预测,到2019年超快激光器市场总额将超过14亿美元,超快激光市场增长速度是整个激光市场增长速度的两倍。
 
其中飞秒激光器增长速率大于皮秒激光器,两者之间的差价正在缩小,飞秒激光将应用在之前考虑成本因素皮秒激光应用过的领域里,在成本变化不大的基础上进一步提高加工的质量。
 
从产业链延伸角度,超快激光产业应该这样看,由10亿元产值的激光器,挑动50亿元产值的激光加工系统,再挑动500亿元产值的应用领域,因此到2020年超快激光产业链规模可达到700亿美元以上的规模。
 
早在2010年,美国Raydiance公司(2015年被Coherent收购)总裁Scott Davidson预测在10年内,超快激光技术将拥有超过1000亿美元的市场,如今他的预测正在成为现实。
 
国内外从事超快激光器件制造以及超快激光微加工系统的公司如雨后春笋般建立,纷纷抢占超快激光微加工这一新兴市场。
 
虽然国内外研发超快激光器件的公司已有多家,但正如Strategies Unlimited首席分析师Tom Hausken博士认为“…更多的价值,即显著的收入和利润,不是来自激光器,而是围绕激光器建立起来的系统。因此,这里存在着很多机会…”。
 
目前,围绕着超快激光产业的国内外并购迭起,各大激光以及光电产业巨头纷纷布局,围绕超快激光产业链企业实行并购,最近五年近二十起并购已经实施,你方唱罢我登场,未来几年,人们还将看到更多的并购。
 
产研态正酣
 
经过近30年的研发,超快激光的非热、冷加工属性开始为人们所钟爱,适用于一些其他加工方法无法实现的高精度、复杂形状元器件的加工。
 
对于超硬材料、易碎材料、高熔点材料、易爆材料的加工,更具有其他加工方法所无法企及的优势。
 
超快激光微加工的主要思想是利用超快激光脉冲聚焦的“焦点”与物质发生非线性相互作用,最小可在亚波长至纳米的尺度诱导光物理、光化学变化而使局部材料特性发生改变,通过计算机图案生成和“焦点”扫描、多光束干涉以及自相干等方式,实现微结构、微器件制备。
 
图1 超快激光切割碳化硅(左)钻孔柔性陶瓷(中)切割蓝宝石(右)
 
超快激光微加工优点如下:
(1)适用材料广谱、尤其难加工材料。超快激光束的光子能量在时间上高度集中,被聚焦后的功率密度能达到很高的数值,使用普通的商用超快激光就可以轻而易举地诱导几乎任何材料的分子价键断裂和原子电离,由此造成的相变等不可逆转的物态、物性变化为超快激光材料加工提供了物理基础。
 
由于强度高,超快激光加工具有材料广谱性,对象包括金刚石、蓝宝石、玻璃、半导体、金属、陶瓷和高分子等各种材料。
 
(2)加工精度高,适用于三维复杂结构制备。由于非线性吸收过程如多光子吸收的吸收截面非常小,光激发被拘囿在焦点附近极小的区域内;
 
另外,由于激发过程超快,避免了热弛豫,从而使超快激发成为一个准绝热过程,而且光作为一种电磁波不同于实物粒子波,可以穿透透明材料,从其内部进行加工。
 
这些保证了超快激光加工具有很高的三维加工分辨率,甚至超越光学衍射极限,达到纳米量级。
 
 
图2 超快激光在不同材料上加工的微纳米结构
 
(3)非掩模技术,适合非平面加工。超快激光微加工通过计算机程序控制,按照待加工结构的图样进行三维扫描来实现。
 
图样定义不需要掩模版辅助,是一种非掩模微纳米加工技术。脱离了掩模版的束缚,激光焦点可以沿光学表面进行保形扫描,在非平表面衬底上制备微结构。
 
目前,超快激光微加工已经在消费电子、生物医疗、航空航天、信息技术、新能源、新材料等产业得到应用。
 
加工工艺包括钻孔、刻线、划槽、表面纹理化、表面改性、内部改性、焊接、修整、清洗等。
 
围绕着这些加工工艺,超快激光产业链相关企业以及科研院所正在研发性能更加稳定、成本更加低廉的超快激光器件、光束时空整形传输技术、结合材料性能的最优加工该工艺以及与智能制造结合的控制技术等。
 
图3  超快激光微加工产业应用领域
 
谁窥此中道
 
让时光回溯到1980-1990年代,那时各国科学家们在实验室里精心地设计、调节着超快激光传输、聚焦的光路,尝试着对各种材料进行辐照,以期待有所发现的时候(他们确实发现了大量异于常态的现象),他们不会想到二三十年后超快激光已经走进了消费电子产品工厂的加工车间,走进了进行精准眼科手术的医院,走进了高精尖元器件制造的关键一环。
 
如今,世界上很多人开始依赖超快激光,因为它们能够实现许多常规手段无法企及的工作。
 
虽然这边从事超快激光与材料相互作用的科学先驱们仍在痴迷于一些尚不确定的反应机理及物性变化,那边企业家们已迫不及待的希望超快激光能够给他们创造新的高附加价值;
 
工程师们热情地用他们手中的利器对工件进行精雕细琢,希望将功能发挥到极致;
 
投资商们嗅觉敏锐,已知春江水暖,翘首以盼着这一新兴技术所能撬动的资本收益。
 
正所谓:
瞬渺镭丝载波行,
雕微琢纳尘烟轻。
多维齐聚机巧现,
卅年苦甘今朝明。
  
当为冷眼观
 
虽然超快激光微加工具有无限美好的发展情景,但应该看到,目前成熟的超快激光市场应用领域还十分有限,随着大量的公司涌入以及资本的追捧,必将造成初期的产业过热,也会迎来产业发展的瓶颈期甚至短时的低潮。
 
 图4  超快激光在玻璃内部制备的荧光二维码
 
但在不久的将来,伴随着更多应用领域的开发,更加广阔的市场必将涌现,超快激光微加工也将长期蓬勃发展。