超快激光適用于金剛石、藍(lán)寶石、玻璃、半導(dǎo)體、金屬、高分子等各種材料的精密微細(xì)加工
緣起
讓時(shí)光回溯到1980-1990 年代，那時(shí)各國科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室里潛心地設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)著超快激光傳輸、聚焦的光路，嘗試著對各種材料進(jìn)行輻照，以期待有所發(fā)現(xiàn)的那一刻的到來（他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了大量異于常態(tài)的現(xiàn)象），他們不會想到二三十年后超快激光已經(jīng)悄然走進(jìn)了消費(fèi)電子產(chǎn)品工廠的加工車間，走進(jìn)了開展精準(zhǔn)眼科手術(shù)的醫(yī)院，走進(jìn)了高精尖元器件制造的關(guān)鍵一環(huán)。
圖1 超快激光在玻璃內(nèi)部制備的熒光二維碼
如今，世界上很多人開始依賴超快激光，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)許多常規(guī)手段無法企及的工作。雖然這邊從事超快激光與材料相互作用的科學(xué)先驅(qū)們?nèi)栽诎V迷于一些尚不確定的反應(yīng)機(jī)理及物性變化，那邊的企業(yè)家們已然迫不及待的希望超快激光能夠給他們創(chuàng)造新的高附加價(jià)值；工程師們熱情地用他們手中的利器對工件進(jìn)行精雕細(xì)琢，希望將功能發(fā)揮到極致；投資商們嗅覺敏銳，已知春江水暖，翹首以盼著這一新興技術(shù)所能撬動的資本收益。
應(yīng)用
超快激光又稱超短脈沖激光，其主要特征參數(shù)為激光脈沖寬度從幾個(gè)飛秒到10 皮秒，脈沖重復(fù)頻率從單脈沖到百兆赫茲，激光波長從紫外到中紅外。超快激光微加工技術(shù)指的是利用超快激光在微米甚至納米尺度上對材料的顯微去除以及微觀改性。
圖2 超快激光切割碳化硅（左），鉆孔柔性陶瓷（中），切割藍(lán)寶石（右）
經(jīng)過近30 年的研發(fā)，超快激光的非熱、冷加工屬性開始為人們所鐘愛，適用于一些其他加工方法無法實(shí)現(xiàn)的高精度、復(fù)雜形狀元器件的加工。對于超硬材料、易碎材料、高熔點(diǎn)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(yōu)勢。超快激光微加工的主要原理是利用超快激光脈沖聚焦的“焦點(diǎn)”與物質(zhì)發(fā)生非線性相互作用，最小可在亞波長至納米的尺度誘導(dǎo)光物理、光化學(xué)變化而使局部材料特性發(fā)生改變，通過計(jì)算機(jī)圖案生成和“焦點(diǎn)”掃描、多光束干涉以及自相干等方式，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)、微器件制備。
超快激光微加工的優(yōu)點(diǎn)歸納如下：
◎ 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(shí)間上高度集中，被聚焦后的功率密度能達(dá)到很高的數(shù)值，使用普通的商用超快激光就可以輕而易舉地誘導(dǎo)幾乎任何材料的分子價(jià)鍵斷裂和原子電離，由此造成的相變等不可逆轉(zhuǎn)的物態(tài)、物性變化為超快激光材料加工提供了物理基礎(chǔ)。由于強(qiáng)度高，超快激光加工具有材料廣譜性，對象包括金剛石、藍(lán)寶石、玻璃、半導(dǎo)體、金屬、陶瓷和高分子等各種材料。
◎ 加工精度高，適用于三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)制備。由于非線性吸收過程如多光子吸收的吸收截面非常小，光激發(fā)被拘囿在焦點(diǎn)附近極小的區(qū)域內(nèi)；另外，由于激發(fā)過程超快，避免了熱弛豫，從而使超快激發(fā)成為一個(gè)準(zhǔn)絕熱過程，而且光作為一種電磁波不同于實(shí)物粒子波，可以穿透透明材料，從其內(nèi)部進(jìn)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(xué)衍射極限，達(dá)到納米量級。
◎ 非掩模技術(shù)，適合非平面加工。超快激光微加工通過計(jì)算機(jī)程序控制，按照待加工結(jié)構(gòu)的圖樣進(jìn)行三維掃描來實(shí)現(xiàn)。圖樣定義不需要掩模版輔助，是一種非掩模微納米加工技術(shù)。脫離了掩模版的束縛，激光焦點(diǎn)可以沿光學(xué)表面進(jìn)行保形掃描，在非平表面襯底上制備微結(jié)構(gòu)。
目前，超快激光微加工已經(jīng)在消費(fèi)電子、生物醫(yī)療、航空航天、信息技術(shù)、新能源、新材料等產(chǎn)業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。加工工藝包括鉆孔、刻線、劃槽、表面紋理化、表面改性、內(nèi)部改性、焊接、修整、清洗等。圍繞著這些加工工藝，超快激光產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)以及科研院所正在研發(fā)性能更加穩(wěn)定、成本更加低廉的超快激光器件、光束時(shí)空整形傳輸技術(shù)、結(jié)合材料性能的最優(yōu)加工工藝以及與智能制造結(jié)合的控制技術(shù)等。
市場
根據(jù)專門研究光子與激光行業(yè)的Strategies Unlimited公司預(yù)測，到2019年全球激光器市場銷售將達(dá)到120億美元，而超快激光器的市場總額將超過14億美元，超快激光市場增長速度是整個(gè)激光市場增長速度的兩倍。其中飛秒激光器增長速率則大于皮秒激光器。兩者之間的差價(jià)正在縮小，這將導(dǎo)致飛秒激光器應(yīng)用在皮秒激光器之前應(yīng)用過的領(lǐng)域里。
圖3 超快激光微加工應(yīng)用領(lǐng)域
從產(chǎn)業(yè)鏈延伸角度，激光產(chǎn)業(yè)應(yīng)該這樣看，由10億元產(chǎn)值的激光器，挑動50 億元產(chǎn)值的激光加工系統(tǒng)，再挑動500億元產(chǎn)值的應(yīng)用領(lǐng)域，因此到2020年超快激光產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)?？蛇_(dá)到700億美元以上的規(guī)模。早在2010年，美國Raydiance公司（2015年被Coherent收購）總裁Scott Davidson就預(yù)測在10年內(nèi)，超快激光技術(shù)將擁有超過1,000億美元的市場，如今他的預(yù)測正在成為現(xiàn)實(shí)。
國內(nèi)外從事超快激光器件制造以及超快激光微加工技術(shù)的公司如雨后春筍般建立，紛紛搶占超快激光微加工這一新興市場。雖然國內(nèi)外研發(fā)飛秒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(rèn)為“…更多的價(jià)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系統(tǒng)。因此，這里存在著很多機(jī)會…… ”。
目前，圍繞著超快激光產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)外并購迭起，各大激光以及光電產(chǎn)業(yè)巨頭紛紛布局，圍繞超快激光產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)實(shí)行并購，最近五年近二十起并購已經(jīng)實(shí)施，你方唱罷我登場，未來幾年，人們還將看到更多的并購。
雖然超快激光微加工具有無限美好的發(fā)展前景，但應(yīng)該意識到，目前成熟的超快激光市場應(yīng)用領(lǐng)域還十分有限，隨著大量的公司涌入以及資本的追捧，必將造成初期的產(chǎn)業(yè)過熱，也會迎來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸期甚至短時(shí)的低潮。但在不久的將來，伴隨著更多應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)，更加廣闊的市場必將涌現(xiàn)，超快激光微加工也將長期蓬勃發(fā)展。
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