以下文章來源于半導(dǎo)體全解 ，作者圓圓De圓

激光的原理早在 1916 年已經(jīng)由著名物理學(xué)家愛因斯坦（Albert Einstein）的受激輻射理論所預(yù)言。世界上第一臺可操作的激光器由梅曼（Theodore Harold "Ted" Maiman）在1960年成功研制，其增益介質(zhì)為紅寶石，波長為 694.3nm。激光器的誕生正式將激光引入實用領(lǐng)域。

在工業(yè)上，通常將激光分為連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)、短脈沖、超短脈沖四類。“超快激光”，通常是指輸出激光的脈沖寬度在10E-12S即皮秒級別，或小于皮秒級別的脈沖激光。

想象一下，光在如此短的時間，能跑多遠(yuǎn)？

假設(shè)地球上有個人將激光筆對著月亮，大概1.3秒后，激光就會達(dá)到月球表面。當(dāng)然得理想化一點，光沒有散射或損耗。而對于1皮秒的時間，光也就只能走頭發(fā)絲打個結(jié)的距離了。

1秒(s) =10E0s=1s;

1納秒(ns) =10E-9s=0.000 000 001s;

1皮秒(ps) =10E-12s=0.000 000 000 001s;

1飛秒(fs) =10E-15s=0.000 000 000 000 001s;

超短脈沖的成功產(chǎn)生得益于鎖模技術(shù)的誕生。該技術(shù)是通過在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關(guān)系，這些模式之間的干涉會使得激光產(chǎn)生一系列的脈沖，從而能夠?qū)⒓す馄鞯妮敵雒}沖寬度減小到超短脈沖的水平，其中超短脈沖指的是脈沖寬度在皮秒量級（Picosecond,ps,10E-12秒）至飛秒量級（Femtosecond,fs,10E-15秒）的激光脈沖，超短脈沖激光通常也被稱為超快激光。

常見的工業(yè)激光器例如皮秒激光器，飛秒激光,以及科研領(lǐng)域比較熱的阿秒激光，都屬于超快激光的范疇。

對于脈寬小于1納秒，大于幾十皮秒的激光器，行業(yè)人員未將之歸為超快激光，而是稱之為亞納秒激光器。

根據(jù)波長不同，又可以分為紅外皮秒、綠光皮秒、紫外皮秒等。

一、超快激光的原理

超快激光是激光領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一，作為一種新興的技術(shù)手段，在精密微細(xì)加工方面有著顯著優(yōu)勢。超快激光產(chǎn)生的超短脈沖與材料相互作用時間極短，不會給周圍材料帶來熱影響，因此超快激光加工也被稱為冷加工。這是因為，當(dāng)激光脈沖寬度達(dá)到皮秒或飛秒量級，可以在很大程度上避免對分子熱運動的影響，產(chǎn)生更少的熱影響。

超快激光器的兩大核心訴求：高穩(wěn)定性的超短脈沖、高脈沖能量。

可以利用鎖模技術(shù)獲得超短脈沖，利用CPA(Chirped Pulse Amplification)放大技術(shù)獲得高脈沖能量，其中涉及的核心部件包括振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器等。

(1)激光鎖模技術(shù)

鎖模（Mode locking）是激光器產(chǎn)生超短脈沖的方法之一，與調(diào)Q（Q-Switching）相類似，鎖模也是對激光器腔內(nèi)進行調(diào)制，讓原本連續(xù)光（Continuous wave, CW）分裂，從而產(chǎn)生脈沖。但是鎖模與調(diào)Q僅僅是在物理現(xiàn)象上有所相似，其物理原理是完全不一樣的。

鎖模技術(shù)一般分為主動鎖模和被動鎖模。

除了主動相位調(diào)制之外，一般都是通過損耗調(diào)制的方式實現(xiàn)鎖模，其中最常用的是通過飽和吸收（Saturated Absorption）效應(yīng)產(chǎn)生鎖模。

飽和吸收效應(yīng)，即光強越強，工作物質(zhì)的吸收越弱，當(dāng)光強足夠強時，飽和吸收體（Saturable Absober, SA）被“漂白”，對光不再吸收。

目前，工業(yè)級光纖鎖模種子源基本都是SESAM鎖模加線性腔結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中可以通過選擇不同的輸出啁啾光柵和SESAM參數(shù)，實現(xiàn)皮秒或者飛秒鎖模。

(2)CPA放大技術(shù)

2018年10月2日，瑞典皇家科學(xué)院公布了2018年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，由來自于美國的Arthur Ashkin，法國的Gerard Mourou和他的學(xué)生、 加拿大的Donna Strickland女士三位物理學(xué)家分享諾貝爾物理學(xué)獎金。其中50%授予Arthur Ashkin的“光鑷及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”，另一半授予Gerard Mourou和Donna Strickland的“啁啾脈沖放大技術(shù)(Chirped Pulse Amplification，CPA)，用于生成高強度的超短脈沖激光的方法”。鎖模技術(shù)從上世紀(jì)開始被研發(fā)，在經(jīng)歷了主動、被動和克爾透鏡自鎖模三個階段之后，百飛秒量級以下超短激光脈沖的實現(xiàn)方式得到了巨大的改進。鈦藍(lán)寶石飛秒激光振蕩器作為新時代集成化更高、穩(wěn)定性更好的鎖模激光器逐漸取代了發(fā)展初期的染料激光器，將超短脈沖激光器推向更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。超短脈沖激光振蕩器的重復(fù)頻率一般在幾十兆赫茲量級，并且其單脈沖能量只能維持在納焦耳量級。

若采取將振蕩器直接輸出的超短脈沖進行光學(xué)放大，那么由于非線性效應(yīng)的影響，超短脈沖將會在激光晶體內(nèi)部形成光絲甚至損傷，無法進行有效的能量放大的同時還破壞了晶體元件。

穆魯（Mourou）和他的學(xué)生斯特里克蘭（Strickland）創(chuàng)造性的運用啁啾脈沖放大技術(shù)將這一難題攻克：他們將振蕩器輸出的脈沖在時間維度上進行了展寬，其峰值功率密度大幅度降低的同時消除了大部分非線性效應(yīng)，因此種子脈沖可以從泵浦光中得到足夠的能量進行光學(xué)放大，然后再通過壓縮元件將能量放大后的脈沖壓縮至超短脈沖范圍后輸出。目前，通過此技術(shù)所獲得的單脈沖能量高達(dá)毫焦耳甚至焦耳量級，用透鏡或者透鏡組將超短脈沖進一步會聚后，能夠在焦點處產(chǎn)生 10E19 W/cm2的極高峰值功率密度，此項技術(shù)為超快、超強激光與物質(zhì)相互作用的機理和應(yīng)用研究提供了實驗基礎(chǔ)。隨著超短脈沖激光及啁啾脈沖放大技術(shù)的誕生，激光加工技術(shù)達(dá)到了一個全新的高度。

二、超快激光應(yīng)用之醫(yī)療領(lǐng)域

飛秒激光視力矯正，也是大家比較熟悉的激光應(yīng)用之一。在眾多的近視矯正術(shù)中，全飛秒激光手術(shù)已經(jīng)成為主流治療近視眼的方法，與傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光手術(shù)相比，全飛秒激光手術(shù)具有手術(shù)準(zhǔn)確度高、無明顯疼痛感、術(shù)后視覺效果好等優(yōu)勢。

由于心臟支架壁管極薄，通常采用激光加工代替常規(guī)的機械切割。但是，使用普通激光通過燒蝕融化來加工，這樣加工的心臟支架存在毛刺多、切槽寬度不統(tǒng)一、表面燒蝕嚴(yán)重、筋寬不均勻等一系列問題。近年來，國外企業(yè)已經(jīng)開始采用飛秒激光進行支架切割。

三、超快激光應(yīng)用之科研領(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 Christopher Barnatt認(rèn)為這種技術(shù)未來可能會成為主流3D打印形式。雙光子聚合技術(shù)的原理是通過使用“飛秒脈沖激光”選擇性固化感光樹脂。聽起來似乎像光固化快速成型，區(qū)別在于雙光子聚合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小層厚和X-Y軸分辨率均在100納米和200納米之間。換句話說2PP 3D打印技術(shù)比傳統(tǒng)光固化成型技術(shù)精確度高了幾百倍，打印出來的東西比細(xì)菌還小。

四、超快激光應(yīng)用之顯示面板切割（貝塞爾光束）關(guān)于貝塞爾光束的激光應(yīng)用，國內(nèi)基本比較成熟了。最成功的案例，我想應(yīng)該就是激光切割顯示面板了吧。由于激光加工效率高，穩(wěn)定好，維護方便，目前激光倒角機已經(jīng)基本取代了機械式倒角機。

這項激光加工技術(shù)的基本原理是通過超快激光的光束整形，獲得長焦深的貝塞爾光束，作用于顯示面板的玻璃基板，實現(xiàn)任意形狀的切割。市場上的各種全面屏手機，例如劉海屏，水滴屏，美人尖等，這些屏幕外形基本都是采用超快激光切割獲得的。

貝塞爾激光切割透明脆性材料，嚴(yán)格來講是包含兩個步驟，即切割+裂片。因為激光切割后，材料并不能自動脫落，而是需要借助外力實現(xiàn)裂片。而裂片的難度隨著切割材料的厚度增加，是明顯增大。對于切割較厚的材料，要么可以多次切割，來彌補切割焦深不夠的不足，要么提高激光脈沖能量，設(shè)計更長焦深的切割頭。

此外，技術(shù)上也有一些解決方法，例如burst-mode脈沖串模式。再不夠的話，那就得依靠激光技術(shù)的提升，獲得更高的脈沖能量了。

而裂片，就相對復(fù)雜一些了。不僅僅是因為材料厚度增加后，裂片的阻力明顯增大。還包括切割形狀（例如異形）、切割內(nèi)封閉圖形、材料特性等因素，使得裂片的難度和復(fù)雜性明顯增大。

五、超快激光應(yīng)用之FPC及OLED切割

對OLED而言，其聚合物材料對熱影響特別敏感，加上現(xiàn)在做的cell的尺寸、間隔都非常小，留下的加工尺寸也特別小，像以前的傳統(tǒng)模切工藝已經(jīng)不適用于當(dāng)今的生產(chǎn)需求了，而且現(xiàn)在還有異型屏、打孔屏的應(yīng)用需求，更是超出了傳統(tǒng)工藝的能力范疇。這樣超快激光的好處就體現(xiàn)出來了，尤其是皮秒紫外，甚至飛秒激光，它的熱影響區(qū)小，而且更適合曲線加工這種更加靈活的應(yīng)用。

六、超快激光應(yīng)用之微焊接

對玻璃等透明固體介質(zhì)來說，超短脈沖激光在介質(zhì)中傳播會出現(xiàn)非線性吸收、熔化損傷、等離子體形成、燒蝕、光絲傳播等多種現(xiàn)象。圖示為不同功率密度及時間尺度下，超短脈沖激光與固體材料相互作用發(fā)生的各種現(xiàn)象。

正因為超短脈沖激光微焊接技術(shù)無需插入中間層、高效率、高精度、無宏觀熱效應(yīng)以及微焊接處理后具有比較理想的力學(xué)、光學(xué)性能，其非常適合用于玻璃等透明材料的微焊接。例如，研究人員使用70 fs、250 kHz 脈沖成功為標(biāo)準(zhǔn)光纖和微結(jié)構(gòu)光纖焊接端蓋。

七、國內(nèi)超快激光器的發(fā)展情況

超快激光在工業(yè)應(yīng)用的歷史不長，是歐美等發(fā)達(dá)國家重點布局的激光應(yīng)用熱點。初期，超快激光市場基本被國外公司主導(dǎo)，占據(jù)大部分市場份額。但中國政府、科研機構(gòu)及企業(yè)對超快激光非常重視，政策傾斜及企業(yè)加大投入攻克難點技術(shù)，不斷追趕國際先進水平。清華大學(xué)、中科院物理所／光機所、華中科技大學(xué)等高校均在大力推進超快激光科研；以大族、華日、安揚、貝林、卓鐳、凱普林等為代表的國內(nèi)激光企業(yè)也在大力推進超快激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。皮秒、飛秒超快激光器國產(chǎn)化將推動國內(nèi)應(yīng)用商的使用成本降低至少30％－40％。

近幾年，國內(nèi)激光器廠商紛紛推出自己的皮秒飛秒激光器，平均功率從低功率發(fā)展至中高功率。依靠絕對的價格優(yōu)勢，占據(jù)了很大一部分國內(nèi)市場份額，使得國外競爭對手倍感壓力。

由于行業(yè)競爭激烈，處于產(chǎn)業(yè)鏈上游的激光器廠商也被迫走低價競爭策略。這和當(dāng)前實體經(jīng)濟環(huán)境不景氣有很大關(guān)聯(lián)。另一方面，超快激光應(yīng)用仍然處于發(fā)展初期，除了少數(shù)幾個領(lǐng)域有規(guī)模性的應(yīng)用，更迫切的仍是尋求新的突破口。技術(shù)上，國內(nèi)激光器廠商仍需要不斷提高產(chǎn)品品質(zhì)和穩(wěn)定性，縮小與國外產(chǎn)品的差距。還是老生常談的那句，前途是光明的，道路是坎坷的。

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察全解，作者圓圓de圓

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