超快激光微加工：烽火突起，誰主沉浮

超快激光微加工是目前激光先進製造產業公認的熱點。

專(zhuan) 門研究光子與(yu) 激光行業(ye) 發展趨勢的Strategies Unlimited公司預測，到2019年超快激光器市場總額將超過14億(yi) 美元，超快激光市場增長速度是整個(ge) 激光市場增長速度的兩(liang) 倍。

其中飛秒激光器增長速率大於(yu) 皮秒激光器，兩(liang) 者之間的差價(jia) 正在縮小，飛秒激光將應用在之前考慮成本因素皮秒激光應用過的領域裏，在成本變化不大的基礎上進一步提高加工的質量。

從(cong) 產(chan) 業(ye) 鏈延伸角度，超快激光產(chan) 業(ye) 應該這樣看，由10億(yi) 元產(chan) 值的激光器，挑動50億(yi) 元產(chan) 值的激光加工係統，再挑動500億(yi) 元產(chan) 值的應用領域，因此到2020年超快激光產(chan) 業(ye) 鏈規模可達到700億(yi) 美元以上的規模。

早在2010年，美國Raydiance公司（2015年被Coherent收購）總裁Scott Davidson預測在10年內(nei) ，超快激光技術將擁有超過1000億(yi) 美元的市場，如今他的預測正在成為(wei) 現實。

國內(nei) 外從(cong) 事超快激光器件製造以及超快激光微加工係統的公司如雨後春筍般建立，紛紛搶占超快激光微加工這一新興(xing) 市場。

雖然國內(nei) 外研發超快激光器件的公司已有多家，但正如Strategies Unlimited首席分析師Tom Hausken博士認為(wei) “…更多的價(jia) 值，即顯著的收入和利潤，不是來自激光器，而是圍繞激光器建立起來的係統。因此，這裏存在著很多機會(hui) …”。

目前，圍繞著超快激光產(chan) 業(ye) 的國內(nei) 外並購迭起，各大激光以及光電產(chan) 業(ye) 巨頭紛紛布局，圍繞超快激光產(chan) 業(ye) 鏈企業(ye) 實行並購，最近五年近二十起並購已經實施，你方唱罷我登場，未來幾年，人們(men) 還將看到更多的並購。

經過近30年的研發，超快激光的非熱、冷加工屬性開始為(wei) 人們(men) 所鍾愛，適用於(yu) 一些其他加工方法無法實現的高精度、複雜形狀元器件的加工。

對於(yu) 超硬材料、易碎材料、高熔點材料、易爆材料的加工，更具有其他加工方法所無法企及的優(you) 勢。

超快激光微加工的主要思想是利用超快激光脈衝(chong) 聚焦的“焦點”與(yu) 物質發生非線性相互作用，最小可在亞(ya) 波長至納米的尺度誘導光物理、光化學變化而使局部材料特性發生改變，通過計算機圖案生成和“焦點”掃描、多光束幹涉以及自相幹等方式，實現微結構、微器件製備。

圖1 超快激光切割碳化矽（左）鑽孔柔性陶瓷（中）切割藍寶石（右）

超快激光微加工優點如下

（1）適用材料廣譜、尤其難加工材料。超快激光束的光子能量在時間上高度集中，被聚焦後的功率密度能達到很高的數值，使用普通的商用超快激光就可以輕而易舉地誘導幾乎任何材料的分子價鍵斷裂和原子電離，由此造成的相變等不可逆轉的物態、物性變化為超快激光材料加工提供了物理基礎。

由於(yu) 強度高，超快激光加工具有材料廣譜性，對象包括金剛石、藍寶石、玻璃、半導體(ti) 、金屬、陶瓷和高分子等各種材料。

（2）加工精度高，適用於(yu) 三維複雜結構製備。由於(yu) 非線性吸收過程如多光子吸收的吸收截麵非常小，光激發被拘囿在焦點附近極小的區域內(nei) ；

另外，由於(yu) 激發過程超快，避免了熱弛豫，從(cong) 而使超快激發成為(wei) 一個(ge) 準絕熱過程，而且光作為(wei) 一種電磁波不同於(yu) 實物粒子波，可以穿透透明材料，從(cong) 其內(nei) 部進行加工。

這些保證了超快激光加工具有很高的三維加工分辨率，甚至超越光學衍射極限，達到納米量級。

圖2 超快激光在不同材料上加工的微納米結構

（3）非掩模技術，適合非平麵加工。超快激光微加工通過計算機程序控製，按照待加工結構的圖樣進行三維掃描來實現。

圖樣定義(yi) 不需要掩模版輔助，是一種非掩模微納米加工技術。脫離了掩模版的束縛，激光焦點可以沿光學表麵進行保形掃描，在非平表麵襯底上製備微結構。

目前，超快激光微加工已經在消費電子、生物醫療、航空航天、信息技術、新能源、新材料等產(chan) 業(ye) 得到應用。

加工工藝包括鑽孔、刻線、劃槽、表麵紋理化、表麵改性、內(nei) 部改性、焊接、修整、清洗等。

圍繞著這些加工工藝，超快激光產(chan) 業(ye) 鏈相關(guan) 企業(ye) 以及科研院所正在研發性能更加穩定、成本更加低廉的超快激光器件、光束時空整形傳(chuan) 輸技術、結合材料性能的最優(you) 加工該工藝以及與(yu) 智能製造結合的控製技術等。

圖3 超快激光微加工產業應用領域

讓時光回溯到1980-1990年代，那時各國科學家們(men) 在實驗室裏精心地設計、調節著超快激光傳(chuan) 輸、聚焦的光路，嚐試著對各種材料進行輻照，以期待有所發現的時候（他們(men) 確實發現了大量異於(yu) 常態的現象），他們(men) 不會(hui) 想到二三十年後超快激光已經走進了消費電子產(chan) 品工廠的加工車間，走進了進行精準眼科手術的醫院，走進了高精尖元器件製造的關(guan) 鍵一環。

如今，世界上很多人開始依賴超快激光，因為(wei) 它們(men) 能夠實現許多常規手段無法企及的工作。

雖然這邊從(cong) 事超快激光與(yu) 材料相互作用的科學先驅們(men) 仍在癡迷於(yu) 一些尚不確定的反應機理及物性變化，那邊企業(ye) 家們(men) 已迫不及待的希望超快激光能夠給他們(men) 創造新的高附加價(jia) 值；

工程師們(men) 熱情地用他們(men) 手中的利器對工件進行精雕細琢，希望將功能發揮到極致；

投資商們(men) 嗅覺敏銳，已知春江水暖，翹首以盼著這一新興(xing) 技術所能撬動的資本收益。

雖然超快激光微加工具有無限美好的發展情景，但應該看到，目前成熟的超快激光市場應用領域還十分有限，隨著大量的公司湧入以及資本的追捧，必將造成初期的產(chan) 業(ye) 過熱，也會(hui) 迎來產(chan) 業(ye) 發展的瓶頸期甚至短時的低潮。