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市場研究

超快激光器正在迅速追趕行業需求

星之球科技 來源:榮格2021-06-03 我要評論(0 )   

超短脈衝(chong) 激光器(通常會(hui) 稱為(wei) 超快激光器)的脈衝(chong) 長度可以達到皮秒級甚至飛秒級。作為(wei) 科學的研究工具,超快激光器的研發曆史已有幾十年。伴隨著超快激光器的發展,讓飛秒...

超短脈衝(chong) 激光器(通常會(hui) 稱為(wei) 超快激光器)的脈衝(chong) 長度可以達到皮秒級甚至飛秒級。作為(wei) 科學的研究工具,超快激光器的研發曆史已有幾十年。伴隨著超快激光器的發展,讓飛秒化學、光譜學以及多光子成像領域也受益匪淺,還使神經科學和量子力學的新研究成為(wei) 可能。


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技術發展及用戶基礎擴大等一係列因素,正在促成超快激光技術市場的迅速發展。未來5年,該市場將以16.6%的複合年增長率增長——這個(ge) 預測是在考慮到新冠肺炎疫情導致生產(chan) 放緩這個(ge) 因素下做出的(來源:Chromacity公司)


現在,超快激光器已開始超越傳(chuan) 統的研究技術。皮秒激光器的商業(ye) 化應用已有20多年的曆史。隨之而來的是超快激光器製造成本的降低,並且可以適應工業(ye) 需求,直到最近商業(ye) 應用才達到臨(lin) 界點。美國加州激光製造商Lumentum的生產(chan) 線管理總監Vincent Issier談到:“在過去5-7年裏,皮秒激光器得到了大規模的應用。在那之前,超快激光是最後的選擇。”


“現在,皮秒激光器正在逐漸成為(wei) 主流,部分原因是因為(wei) 它們(men) 現在可以加入到微加工解決(jue) 方案的競爭(zheng) 。它們(men) 也是行業(ye) 的一個(ge) 新發展方向。”Vincent Issier說。2016年Lumentum公司發布了PicoBlade 2超快激光器以開拓這一市場。他們(men) 做了重新設計,使該技術可以在更小的空間中使用,並易於(yu) 集成到工業(ye) 係統中。


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長期以來,超快激光器都隻是一種實驗室用的工具,但是現在超快激光器的總成本已經低得足以引起人們(men) 對其工業(ye) 應用潛力的興(xing) 趣(來源:Chromacity公司)


微加工工具
根據市場研究公司的報告,工業(ye) 超快激光器市場背後的動力由幾個(ge) 因素組成。即使考慮新冠肺炎疫情導致的生產(chan) 放緩,未來5年超快激光器市場的年複合年增長率仍然有望達到16.6%。其中,一個(ge) 因素是大規模需求的出現。


MKS Instruments公司產(chan) 品營銷高級總監Herman Chui說:“消費電子產(chan) 品是推動皮秒激光器技術被采用的真正原因。”MKS Instruments公司擁有激光製造商理波光譜物理科技有限公司(spectrum-physics),能夠生產(chan) 製造皮秒激光器備。但是,汽車、生物成像和醫療領域對工業(ye) 超快激光器的需求也在增長,這讓工業(ye) 超快激光器新的製造能力得以開發,比如脈衝(chong) 寬度更長的激光工藝,或取代其他技術。


Herman Chui表示,自從(cong) 2007年蘋果發布第一代iphoness以來,所有電子產(chan) 品類別比如平板電腦、AR/VR設備和可穿戴醫療設備都已商業(ye) 化。這些設備正在變得越來越小,功能越來越多。製造商需要能夠加工具有更精細功能的印刷電路板和OLED顯示屏等材料,但要杜絕大量的熱量傳(chuan) 遞,因為(wei) 熱量會(hui) 損壞材料,而超快激光器非常適合這樣的應用需求。


Lumentum公司的Vincent Issier說:“過去是用機械工藝的方式,比如用鑽頭在組成電子元件的零件上鑽出線和孔,但經常會(hui) 出現無法再縮小鑽頭尺寸的情況。如果鑽頭磨損、斷裂,還得更換零件,增加成本。另外,維修還會(hui) 引發停機,降低機器的使用效率。”


工業(ye) 界一直在尋找將生產(chan) 成本最小化的方法。對此,超快激光器的加工質量扮演了一個(ge) 重要角色。“通過發揮超快激光器的合適性能如波長、能量、脈衝(chong) 持續時間以及傳(chuan) 輸光學,就能將材料中的熱影響區最小化,減少碎片產(chan) 生、重鑄、變色等。這是一個(ge) 巨大的優(you) 勢。”Vincent Issier說。

可靠的激光器
當然,行業(ye) 必須在激光器上下功夫,以確保超快激光器能夠與(yu) 技術成熟、可持續運轉的機械式微加工相競爭(zheng) 。正如Lumentum公司再設計的產(chan) 品PicoBlade展示的那樣,超快激光器的尺寸縮小了,可以更好地被集成到各種製造平台和運動係統中,這是它們(men) 的一大優(you) 勢。但是,蘇格蘭(lan) 超快激光器製造商Chromacity的商業(ye) 總監兼聯合創始人Christopher Leburn表示:可靠性的提高也是超快激光器成為(wei) 工業(ye) 解決(jue) 方案的一個(ge) 主要原因。


“縱觀超短脈衝(chong) 激光係統的發展曆史,要實現可靠的維護效果是相當難的。作為(wei) 高度複雜的光學儀(yi) 器,它們(men) 需要額外的電子層或冷卻工序,以實現一致的脈衝(chong) 質量或光譜穩定性,”Christopher Leburn說,“隨著時間的推移,改進的激光器架構變得更穩定,製造過程也更有效率。”


MKS Instruments公司的Herman Chui表示同意:“我們(men) 花了很長時間才想出讓這些激光器適應商業(ye) 應用的新方法。在這些改進中,許多都是隨著時間推移發生,並不是階梯式的功能改進。它們(men) 是對現有激光器架構的改進。”

在盒子裏
大多數工業(ye) 超快激光器是基於(yu) 技術早已成熟的主振蕩器功率放大器(MOPA)而設計的。在放大器的激光器內(nei) 放有一台振蕩器,作為(wei) 種子激光器連接到放大器,從(cong) 而增加發射脈衝(chong) 的能量,再通過一個(ge) 標準化平台實現激光加工。振蕩器通常是基於(yu) 光纖的,而放大器可以基於(yu) 光纖也可以基於(yu) 固態晶體(ti) ,取決(jue) 於(yu) 最終的功率輸出要求。
一般來說,光纖放大器在設計輸出功率低於(yu) 100W時是合適的選擇,而搭載固態放大器的激光係統能夠產(chan) 生更高的輸出功率。光纖放大器還會(hui) 受到非線性效應的影響,比如受激布裏淵散射、受激拉曼散射以及光學克爾效應,都會(hui) 對功率輸出產(chan) 生幹擾。這些意外的效應就是儀(yi) 器製造商常將超快激光係統與(yu) 其他係統組合起來應用的一大原因。


Herman Chui表示,MKS Instruments公司旗下的理波光譜物理科技有限公司就在其IceFyre皮秒激光器中應用了這種組合架構,將一個(ge) 光纖振蕩器和一個(ge) 固態放大器組合了起來。這種架構讓激光器的脈衝(chong) 能夠根據需求從(cong) 納秒迅速切換到皮秒、飛秒。這對降低成本、提高光電元件(如二極管)的性能,提高超快激光器的成本效益方麵都發揮了積極作用。


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作為(wei) 高度複雜的光學儀(yi) 器,超短脈衝(chong) 激光係統一直麵臨(lin) 著“難維護、難操作”這項難題,為(wei) 實現一致的脈衝(chong) 質量或光譜穩定性,需要電子層或冷卻工序。但是,改進底層架構,就能使這些係統更加穩固耐用,可被大規模製造(來源:Chromacity公司)



在蘇格蘭(lan) 赫瑞瓦特大學進行激光研究時,Christopher Leburn創立了Chromacity公司。該公司推出的最新一款激光器設計就是光學參量振蕩器(OPO)係統,使用磷化镓非線性晶體(ti) 在中紅外區域產(chan) 生皮秒脈衝(chong) 。Christopher Leburn介紹說:“這款振蕩器是由一種基於(yu) 部分光纖、部分自由空間激光器的高平均功率、1µm波長光源泵浦發出的。這些組件裝在一個(ge) 單片基板上,有助於(yu) 激光係統的緊湊和可靠性。熱效率激光係統無需水冷卻。”

更快的脈衝(chong) 速度
隨著超快激光器在工業(ye) 加工領域的發展,它已被用於(yu) 加工越來越多的材料,包括金屬、玻璃、寶石和塑料。這些材料的獨特特性以及它們(men) 對激光脈衝(chong) 的不同公差,促使製造商開發具有處理這些材料的儀(yi) 器。Herman Chui表示:“企業(ye) 的研發人員一直努力在滿足客戶需求和預測市場走向之間尋找平衡點。我們(men) 必須專(zhuan) 注於(yu) 技術,設計生產(chan) 出符合市場預期的產(chan) 品。”


理波光譜物理科技有限公司的新型超快激光器,產(chan) 生的諧波在光譜的紫外和綠色波長區域發射皮秒脈衝(chong) 。他們(men) 還有一些產(chan) 品也能發射飛秒脈衝(chong) 。較短的脈衝(chong) 可以讓材料更好地吸收光,產(chan) 生較淺的吸收深度。飛秒激光對材料的熱影響也比皮秒激光低,熱影響區域更小,但是在輸出相同的功率時,飛秒激光器的光通量可能更低,成本更高。因此,脈衝(chong) 的參數如波長、形狀以及脈衝(chong) 串的類型,可以產(chan) 生很大不同。


“這是因為(wei) 優(you) 化了光與(yu) 材料的相互作用,”Herman Chui說,“超薄玻璃切割得益於(yu) 超短脈衝(chong) 激光器,因為(wei) 你可以在不進行任何後處理的情況下獲得數十納米的邊緣表麵粗糙度。以平板顯示器製造為(wei) 例,這項技術的進步有助於(yu) 降低其製造成本。”


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高功率皮秒脈衝(chong) 激光切割OLED顯示屏。皮秒激光器的超短脈衝(chong) 能夠非常有效地在印刷電路板和OLED顯示屏上做更精細的加工,不傳(chuan) 導大熱量,防止由此產(chan) 生的部件損壞問題(來源:MKS儀(yi) 器公司)


Chromacity公司的Christopher Leburn說:“飛秒脈衝(chong) 還可以擴大超快激光係統的用途。該公司的飛秒激光器已用於(yu) 要求高脈衝(chong) 重複率及低脈衝(chong) 能量的半導體(ti) 晶圓檢測中。他們(men) 還提供可傳(chuan) 輸5µm-12µm不同波長的光源,環境、國防和安全部門都對這種光譜有需求。氣體(ti) 、液體(ti) 和固體(ti) 在中紅外區域有非常明確的化學特征,所以將這些激光應用在化學分析中很有效。”


用發射紫外光的激光器加工塑料和高分子材料,產(chan) 生的熱量比采用紅外脈衝(chong) 的激光器少。Lumentum公司去年發布的PicoBlade 3,除了紅外波段外,還有紫外線和綠色波段可供選擇。其運算能力是之前同係列產(chan) 品的4倍。
“客戶需要更大的功率處理材料,這樣就可以帶來更高的產(chan) 能。”Vincent Issier說。他認為(wei) 未來幾年市麵上的工業(ye) 超快激光器數量會(hui) 增加。此外,超快激光器還會(hui) 出現其他用途,比如表麵紋理加工,通過激光加工在材料上打造疏水性或親(qin) 水性功能。


Chromacity公司的Christopher Leburn發現激光器尺寸正向著越來越小的趨勢發展,最終應該達到可攜帶的程度。“我們(men) 曾用我們(men) 生產(chan) 的超短脈衝(chong) OPO係統在野外測量甲烷、乙烷和水蒸氣,以十億(yi) 分之一的分辨率在70米的距離範圍內(nei) 測出了化學信號。這是傳(chuan) 統技術不可能實現的效果,”Christopher Leburn說,“製造出更緊湊的超快激光係統隻有時間和資源上的挑戰,而非物理層麵的。”

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