1.1 激光器的分類

其中，按照能量輸出波形，激光器可以分為連續(xù)激光器、脈沖激光器、和準連續(xù)激光器：

※ 連續(xù)激光器：在工作時間內(nèi)連續(xù)輸出穩(wěn)定能量波形的激光器，其特點是功率較高，能夠加工體積大、熔點高的材料，如金屬板材等；

※ 脈沖激光器：以脈沖形式輸出能量，根據(jù)脈沖寬度，脈沖激光器可進一步分為毫秒激光器、微秒激光器、納秒激光器、皮秒激光器、飛秒激光器、及阿秒激光器等；例如，如果一臺脈沖激光器所輸出激光的脈寬在1-1000ns之間，我們稱之為納秒激光器，以此類推；我們將皮秒激光器、飛秒激光器、及阿秒激光器等，稱作超快激光器。脈沖激光器的功率遠低于連續(xù)激光器，但加工精度高于連續(xù)激光器，且一般情況下，脈寬越窄，加工精度越高；

※ 準連續(xù)激光器：介于連續(xù)激光器和脈沖激光器之間，可以在一定周期內(nèi)重復輸出比較高能量的激光，理論上來說也是一種脈沖激光器。

以上三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，占空比可解釋為在一個脈沖循環(huán)內(nèi)，有激光能量輸出的時間相對于總時間所占的比例。

連續(xù)激光器占空比(=1)＞準連續(xù)激光器占空比＞脈沖激光器占空比。一般情況下，脈沖激光的脈寬越窄，占空比越低，見圖表2所示。

在材料加工領域，最初脈沖激光器是連續(xù)激光器的過渡產(chǎn)品，這是由于早期受到核心元器件的承受能力、工藝水平等因素的影響，連續(xù)激光器的輸出功率不可能很高，無法將材料加熱到熔點以上從而達到加工的目的；若通過一定的技術手段，使激光的輸出能量集中在單個脈沖上，這樣雖然激光器的總功率沒有發(fā)生變化，但在脈沖發(fā)生的時間點上的瞬時功率卻大大提高，滿足了材料加工的訴求。后來連續(xù)激光器技術逐漸成熟，人們發(fā)現(xiàn)脈沖激光在加工精度上有很大的優(yōu)勢，這主要由于脈沖激光對材料的熱效應更小，且激光脈寬越窄，熱影響越小，加工材料邊緣越平整（對應的加工精度越高）。

超快激光器也被稱作“超強超短脈沖激光器”、“超短脈沖激光器”等，但我們更愿意稱之為“超快激光器”，是因為這個定義與“超快現(xiàn)象”有關。超快現(xiàn)象是指發(fā)生在物質(zhì)微觀體系中快速變化的物理、化學或生物過程中的一種現(xiàn)象：在原子分子體系中，原子及分子自身運動的時間尺度大約在皮秒到飛秒量級，如分子轉(zhuǎn)動的周期在皮秒量級，振動的周期約在飛秒量級；當激光脈沖脈寬達到皮秒或飛秒級別，可以在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)），而在分子震動的時間尺度上對物質(zhì)產(chǎn)生影響，使得在達到加工目的的同時，熱效應大大降低。

與納秒及毫秒激光器相比，超快激光器雖然整體功率更低，但由于其直接作用于材料分子震動的時間尺度，在真正意義上實現(xiàn)了“冷加工”，因此加工精度大大提高。

由于特性的不同，高功率連續(xù)激光器、非超快的脈沖激光器和超快激光器在下游應用領域上有較大差別：

※ 高功率連續(xù)激光器（以及準連續(xù)激光器）：主要應用于金屬材料的切割、燒結(jié)、焊接、表面熔敷、打孔、金屬3D打印等；

※ 非超快脈沖激光器：非金屬材料的打標、硅材料的加工、金屬的表面雕刻、金屬表面清洗、金屬的精密焊接、金屬的微加工等；

※ 超快激光器：玻璃、PET及藍寶石等透明材料和硬脆材料的切割和焊接、精密打標、眼科手術、材料的微觀鈍化及刻蝕等。

從用途來看，高功率連續(xù)激光器和超快激光器幾乎不存在相互替代的關系，它們一個像板斧一個像鑷子，尺寸各有短長。非超快脈沖激光器的下游應用與連續(xù)激光器和超快激光器都分別有一些重合，從實際結(jié)果來看，同一用途下，其功率不如連續(xù)激光器，精度不如超快激光器，比較突出的是性價比。

尤其是納秒紫外激光器，雖然其脈寬沒有達到皮秒級別，但加工精度較其他顏色的納秒激光器有較大提升，已比較廣泛的應用于3C產(chǎn)品的加工制造，與超快激光器下游應用重疊度較大。未來隨著超快激光器成本下降，可能會侵占納秒紫外的市場。

1.2 超快激光技術有著很高的技術門檻

2018年10月2日，瑞典皇家科學院在宣布，美國科學家亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）、法國科學家杰哈?莫羅（Gérard Mourou）和加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭（Donna Stricklan）獲得2018年諾貝爾物理學獎。

其中Gérard Mourou和Donna Stricklan二人獲獎的理由是發(fā)明了激光的啁啾脈沖放大技術（Chirped Pulse Amplification，CPA），這種技術目前已經(jīng)被普遍應用于超快脈沖激光系統(tǒng)。兩位科學家獲獎也使得越來越多的人開始接觸并了解超快激光的概念。

CPA技術的發(fā)明是超快激光發(fā)展的里程碑。1960年代，調(diào)Q和鎖模技術相繼出現(xiàn)，并被應用于提高脈沖激光器的能量峰值，后來自鎖模技術也被提出，脈沖激光器一度進入了快速發(fā)展階段。

1980年代CPA（啁啾）技術的發(fā)明，使脈沖激光器突破了脈沖峰值功率的瓶頸，脈沖激光真正進入了超快激光的時代，這也是目前超快激光器中應用最多的技術。

CPA技術的基本原理是先利用一對光柵將初始脈沖激光拉寬，利用放大器把拉寬的激光放大，最后使用另一對光柵將激光脈沖壓縮，得到瞬時的高功率。從CPA技術發(fā)明至今，人們已經(jīng)將激光脈沖的強度和峰值功率提高了7-8個數(shù)量級，目前基于CPA技術的超快激光器的峰值功率已經(jīng)可以達到1015W級別。高峰值、高頻率、高功率仍是超快激光未來發(fā)展的主要方向。

超快激光在真正意義上實現(xiàn)了冷加工，在精密加工方面有顯著優(yōu)勢，隨著超快激光器的生產(chǎn)工藝逐漸成熟，成本逐漸下降，未來有望廣泛的應用于醫(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)。

（1）醫(yī)療美容：

超快激光可用于醫(yī)療中的眼科手術設備和美容設備。飛秒激光被用于近視手術，被譽為繼波前像差技術之后“屈光手術的又一次革命”。近視患者的眼軸大于正常眼軸，使得在眼球調(diào)節(jié)松弛狀態(tài)下，平行光線經(jīng)眼的屈光系統(tǒng)折射后的焦點落在視網(wǎng)膜之前。飛秒激光手術可以去除眼軸維度上多余的肌肉，使眼軸距離恢復正常。飛秒激光手術具有準確性高、安全性高、穩(wěn)定性高、手術時間短、舒適性高等優(yōu)點，已經(jīng)成為當前最主流的近視手術手段之一。

在美容方面，超快激光可用于去除色素和原生痣、去除紋身等，也可以用來改善肌膚的衰老情況。

（2）消費電子：

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、精密打標等。手機鋼化玻璃和藍寶石是消費電子原材料中比較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，使用傳統(tǒng)的機械加工方式效率和良品率很低；藍寶石現(xiàn)在已經(jīng)比較廣泛的應用于智能手表、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手段，超快激光的加工效果比紫外納秒激光更好。此外，攝像頭模組、指紋模組使用的加工方式，也以納秒和皮秒激光為主。未來柔性手機屏（可折疊屏）的切割、及對應的3D玻璃鉆孔，主流技術也大概率是超快激光。

超快激光在面板制造中，也有重要應用。OLED偏光片的切割、LCD/OLED制造過程中的剝離及修復，都可使用超快激光。

（3）顯示照明：

超快激光在顯示照明領域的應用主要是指LED晶片的劃線和切割，這也是超快激光適合硬脆材料加工的又一例證，超快激光加工的截面平整度高，崩邊顯著減少，效率和精度都大大提升。

（4）光伏能源：

超快激光在光伏電池的制造中應用空間廣闊。例如在CIGS薄膜電池的制造中，超快激光可替代原有的機械劃線工藝，顯著改善劃線質(zhì)量，尤其是對于P2、P3劃線環(huán)節(jié)，可以做到幾乎沒有崩邊現(xiàn)象，也沒有裂紋和殘余應力。

（5）航空航天：

為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，需要采用氣膜冷卻技術，這對氣膜孔加工技術提出了極高的要求，2018年西安光機所開發(fā)出國內(nèi)最高單脈沖能量的26瓦工業(yè)級飛秒光纖激光器，并研制出系列化超快激光極端制造裝備，實現(xiàn)了航空發(fā)動機渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破，填補了國內(nèi)空白，這種加工方法較電火花加工等方法精度更高，成品率大大提升。

超快激光還可應用于纖維增強復合材料的精密加工，加工精度的提升，有助于碳纖維等復合材料在航空航天等高端領域的應用拓展。

超快激光還可應用于纖維增強復合材料的精密加工，加工精度的提升，有助于碳纖維等復合材料在航空航天等高端領域的應用拓展。