定義

超快激光是一類脈沖寬度小于或在皮秒級（2-10s）內(nèi)的超強超短脈沖激光，是根據(jù)能量輸出波形來定義的。這個定義與“超快現(xiàn)象”有關(guān)。超快現(xiàn)象是指在物質(zhì)微觀系統(tǒng)中，物理、化學(xué)或生物過程中發(fā)生的快速變化的現(xiàn)象。在原子分子系統(tǒng)中，原子和分子運動的時間尺度在皮秒到飛秒量級。例如分子轉(zhuǎn)動的周期為皮秒量級，振動的周期為飛秒量級。當(dāng)激光脈沖寬度達到皮秒或飛秒量級時，可以很大程度上避免對分子整體熱運動的影響（分子熱運動是物質(zhì)溫度的微觀本質(zhì)），而對材料產(chǎn)生的影響則集中在分子振動的時間尺度上，這樣在達到加工目的的同時，熱效應(yīng)大大降低。

類型

激光器的分類方法很多，其中最常用的分類方法有4種，包括按工作物質(zhì)分類、按能量輸出波形（工作方式）分類、按輸出波長（顏色）分類、按功率分類。

其中，根據(jù)能量輸出波形不同，激光器可分為連續(xù)激光器、脈沖激光器、準(zhǔn)連續(xù)激光器：

連續(xù)激光

它是一種在工作時間內(nèi)持續(xù)輸出穩(wěn)定能量波形的激光器，特點是功率大，可以加工體積大、熔點高的材料，比如金屬板材。

脈沖激光

它以脈沖的形式輸出能量，按照脈沖寬度又可以分為毫秒激光器、微秒激光器、納秒關(guān)機、皮秒激光器、飛秒激光器、阿秒激光器；比如說，如果一個脈沖激光器輸出的激光器的脈沖寬度在2-2ns之間，我們稱之為納秒激光器，以此類推，我們稱之為皮秒激光器、飛秒激光器、阿秒激光器、超快激光器。脈沖激光器的功率比連續(xù)激光器低很多，但是加工精度比連續(xù)激光器高，而且一般來說，脈沖寬度越窄，加工精度越高。

準(zhǔn)連續(xù)激光器

它能在一定周期內(nèi)重復(fù)輸出較高的能量激光，理論上也是一種脈沖激光。

以上3種激光器的能量輸出波形也可以用“占空比”這個參數(shù)來描述，對于激光器來說，占空比可以理解為一個脈沖周期內(nèi)激光能量輸出的時間占總時間的比例。

連續(xù)激光占空比（=1）>準(zhǔn)連續(xù)激光占空比>脈沖激光占空比。一般脈沖激光的脈沖寬度越窄，占空比越低。

在材料加工領(lǐng)域，脈沖激光器最初是連續(xù)激光器的一個過渡產(chǎn)品，這是因為早期連續(xù)激光器受核心部件承載能力、技術(shù)水平等因素的影響，輸出功率不可能很高，無法將材料加熱到熔點以上達到加工的目的。如果采用一定的技術(shù)手段，將激光的輸出能量集中在一個脈沖上，這樣雖然激光的總功率不變，但是脈沖時刻的瞬時功率卻大大提高，滿足了材料加工的要求。后來，連續(xù)激光技術(shù)逐漸成熟，人們發(fā)現(xiàn)脈沖激光在加工精度上有很大的優(yōu)勢。這是因為脈沖激光對材料的熱影響較小，激光脈沖寬度越窄，熱影響越小，加工材料的邊緣越光滑，相應(yīng)的加工精度就越高。

組件

超快激光器2大核心訴求：高穩(wěn)定性超短脈沖、高脈沖能量。一般采用鎖模技術(shù)可獲得超短脈沖，采用CPA放大技術(shù)可獲得高脈沖能量。涉及的核心部件包括振蕩器、展寬器、放大器、壓縮器等。其中振蕩器和放大器技術(shù)難度最大，也是超快激光器制造企業(yè)的核心技術(shù)。

振蕩器

在振蕩器中，利用鎖模技術(shù)獲得超快激光脈沖。

擔(dān)架

拉伸器將飛秒種子脈沖在時間上按不同的波長拉伸開。

擴音器

使用啁啾放大器來充分激發(fā)該拉伸脈沖。

壓縮器

壓縮器將放大后的不同成分光譜匯集在一起??，并恢復(fù)到飛秒寬度，從而形成具有極高瞬時功率的飛秒激光脈沖。

應(yīng)用

與納秒、毫秒激光器相比，超快激光器雖然整體功率較低，但由于其直接作用于物質(zhì)分子振動的時間尺度，實現(xiàn)了真正意義上的“冷加工”，因此加工精度大大提高。

高功率連續(xù)激光器、非超快脈沖激光器及超快激光器由于特性不同，在下游應(yīng)用領(lǐng)域存在很大差異：

高功率連續(xù)激光器（和準(zhǔn)連續(xù)激光器）用于切割、燒結(jié)、 焊接、表面熔覆、鉆孔、 3D 金屬材料的印刷。

非超快脈沖激光器用于非金屬材料打標(biāo)、硅材料加工、 精密雕刻 金屬表面處理、金屬表面清洗、金屬精密焊接、金屬微加工。

超快激光用于玻璃、PET、藍寶石等透明材料及硬脆材料的切割、焊接， 精密打標(biāo)、眼科手術(shù)、材料的微觀鈍化和蝕刻。

從使用場景來看，高功率連續(xù)激光器與超快激光器幾乎沒有相互替代關(guān)系，它們就像斧子和鑷子，大小各有優(yōu)缺點。非超快脈沖激光器的下游應(yīng)用與連續(xù)激光器、超快激光器存在一定的重疊，從實際結(jié)果來看，在同樣的應(yīng)用場景下，其功率不如連續(xù)激光器，精度不如超快激光器，更突出的是性價比。

尤其是納秒紫外激光器，雖然其脈沖寬度達不到皮秒級，但加工精度較其他顏色納秒激光器有大幅提升，已在2C產(chǎn)品加工制造中得到廣泛應(yīng)用，未來隨著超快激光器成本的下降，或?qū)⒄碱I(lǐng)納秒紫外市場。

超快激光器實現(xiàn)真正意義上的冷加工，在精密加工方面具有顯著優(yōu)勢。隨著超快激光器生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟，成本逐漸下降，未來有望在醫(yī)療生物、航空航天、消費電子、照明顯示、能源環(huán)境、精密機械等下游行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

醫(yī)學(xué)美容

超快激光可用于醫(yī)療眼科手術(shù)設(shè)備和美容設(shè)備。飛秒激光用于近視手術(shù)，被譽為繼波前像差技術(shù)之后“屈光手術(shù)的又一次革命”。近視患者的眼軸比正常眼軸要大，這樣在眼球放松的狀態(tài)下，平行光線經(jīng)眼屈光系統(tǒng)折射后的焦點落在視網(wǎng)膜前方。飛秒激光手術(shù)可以在眼軸維度上去除多余的肌肉，使眼軸距離恢復(fù)正常。飛秒激光手術(shù)具有精準(zhǔn)度高、安全性高、穩(wěn)定性高、手術(shù)時間短、舒適度高等優(yōu)點，已成為目前最主流的近視手術(shù)方法之一。

在美容方面，超快激光可以用來去除色素及原生痣，去除紋身，改善皮膚老化等。

消費類電子產(chǎn)品

超快激光適用于消費電子制造過程中的硬脆透明材料加工、薄膜加工、精密打標(biāo)等。手機鋼化玻璃和藍寶石是消費電子原材料中具有代表性的硬脆透明材料，尤其是藍寶石，由于其硬度高、脆性大，傳統(tǒng)加工方式的效率和成品率很低；藍寶石現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于智能手表、手機攝像頭蓋板、指紋模組蓋板等；納秒紫外激光和超快激光是目前切割藍寶石的主要技術(shù)手段，超快激光的加工效果優(yōu)于紫外納秒激光。另外，攝像頭模組、指紋模組所采用的加工手段主要是納秒和皮秒激光。對于柔性手機屏幕（可折疊屏）的切割以及相應(yīng)的 3D 未來玻璃鉆孔，主流技術(shù)很有可能是超快激光。

超快激光器在面板制造中也有重要應(yīng)用，超快激光器可用于LCD/OLED制造過程中OLED偏光片的切割、剝離、修復(fù)等。

對于OLED來說，其聚合物材料對于熱影響特別敏感，再加上目前制作的cell尺寸和間距都非常小，剩下的加工尺寸也非常小，像以前傳統(tǒng)的模切工藝已經(jīng)不適合如今產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)需求，而且現(xiàn)在還有異形屏、打孔屏的應(yīng)用需求，這些都超出了傳統(tǒng)工藝的能力范圍。這樣一來超快激光器的好處就體現(xiàn)出來了，特別是皮秒紫外甚至飛秒激光器，熱影響區(qū)小，更適合曲線加工等更靈活的應(yīng)用。

微焊接

對于玻璃等透明固體介質(zhì)，超短脈沖激光在介質(zhì)中傳輸時會出現(xiàn)非線性吸收、熔融損傷、等離子體形成、燒蝕、光纖傳輸?shù)雀鞣N現(xiàn)象。圖為不同功率密度和時間尺度下超短脈沖激光與固體材料相互作用時出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。

由于超短脈沖激光微焊接技術(shù)無需插入中間層、效率高、精度高、無宏觀熱效應(yīng)、微焊接處理后具有較為理想的力學(xué)性能和光學(xué)性能，非常適合玻璃等透明材料的微焊接。例如，研究人員利用70 fs、250 kHz脈沖成功地將端蓋焊接到標(biāo)準(zhǔn)和微結(jié)構(gòu)光纖上。

顯示照明

超快激光在顯示照明領(lǐng)域的應(yīng)用主要指LED晶圓的劃片和切割，這是超快激光適合加工硬脆材料的另一個例子，超快激光加工截面平整度高，邊緣崩邊現(xiàn)象明顯減少，效率和精度大大提高。

光伏能源

超快激光在光伏電池制造中有著廣闊的應(yīng)用空間，例如在CIGS薄膜電池制造中，超快激光可以替代原有的機械劃片工藝，顯著提高劃片質(zhì)量，特別是對于P2、P3劃片環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)幾乎不崩片，且無裂紋和殘余應(yīng)力。

航空航天

為了提高渦輪葉片的性能和使用壽命，進而提高發(fā)動機的性能，必須采用氣膜冷卻技術(shù)，這對氣膜孔加工技術(shù)提出了極高的要求。2018年，西安光機所研制出國內(nèi)單脈沖能量最高的26瓦工業(yè)級飛秒光纖激光器，并開發(fā)出一系列超快激光極限制造裝備，實現(xiàn)了航空發(fā)動機渦輪葉片氣膜孔“冷加工”的突破，填補了國內(nèi)空白。這種加工方法比電火花加工方法精度更高，成品率大大提高。

超快激光還可應(yīng)用于纖維增強復(fù)合材料的精密加工，加工精度的提高有助于擴大碳纖維等復(fù)合材料在航空航天等高端領(lǐng)域的應(yīng)用。

研究領(lǐng)域

雙光子聚合技術(shù)（2PP）是一種“納米光學(xué)” 3D 打印方法，類似于光固化快速成型技術(shù)，未來學(xué)家克里斯托弗·巴納特認為，這種技術(shù)可能成為一種主流形式 3D 未來的打印。雙光子聚合技術(shù)的原理是利用“飛秒脈沖激光”選擇性固化感光樹脂。聽起來像光固化快速成型，不同之處在于雙光子聚合技術(shù)可以實現(xiàn)的最小層厚度和XY軸分辨率在2納米到2納米之間。換句話說，2PP 3D 打印技術(shù)比傳統(tǒng)的光固化成型技術(shù)精確數(shù)百倍，打印的東西比細菌還要小。

目前超快激光器的價格還比較昂貴，作為行業(yè)先行者， STYLECNC 目前已投產(chǎn)超快激光加工設(shè)備，并取得良好的市場反饋?；诔旒す饧夹g(shù)的OLED模組激光精密切割設(shè)備、超快（皮秒/飛秒）激光打標(biāo)設(shè)備、皮秒紅外顯示屏玻璃倒角激光加工設(shè)備、皮秒紅外玻璃晶圓激光切割設(shè)備、LED全自動隱形劃片機、半導(dǎo)體晶圓 激光切割機、指紋識別模組玻璃蓋板切割設(shè)備、柔性顯示量產(chǎn)線等一系列超快激光產(chǎn)品。

贊成＆反對

優(yōu)點

超快激光是激光領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一，作為新興技術(shù)，在精密微加工方面具有顯著的優(yōu)勢。超快激光產(chǎn)生的超短脈沖與材料相互作用的時間極短，不會給周圍材料帶來熱量，所以超快激光加工又稱為冷加工。這是因為，當(dāng)激光脈沖寬度達到皮秒或飛秒量級時，可以很大程度上避免對分子熱運動的影響，從而減少熱影響。

比如我們用鈍的菜刀切皮蛋，經(jīng)常會把皮蛋切得很碎。如果選擇刀口特別鋒利，切得又快又干凈的切法，皮蛋就會切得又均勻又漂亮。這就是超級快的好處。

缺點

集成電路、面板等高端制造行業(yè)對激光加工設(shè)備要求極高，存在技術(shù)突破不及預(yù)期的風(fēng)險。

超快激光器價格高昂，轉(zhuǎn)換新的激光器供應(yīng)商無論對于激光設(shè)備制造商還是最下游的用戶來說都存在無法按預(yù)期擴大市場的風(fēng)險。