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激光技術(shù)引領(lǐng)加工制造 應(yīng)用細(xì)分化前景廣闊

來源:中國光電網(wǎng)2017-04-19 我要評論(0 )   

激光又被人們稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”。近年來,激光產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展備受矚目,激光加工卓越的優(yōu)勢已吸引了光通信、汽車制造、造船、冶金、航空航天、新能源、模...

激光又被人們稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”。近年來,激光產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展備受矚目,激光加工卓越的優(yōu)勢已吸引了光通信、汽車制造、造船、冶金、航空航天、新能源、模具制造、醫(yī)療器械、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)等產(chǎn)業(yè)的關(guān)注,并紛紛引進激光加工技術(shù),在各種工序上發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。
 
目前熱門的研究方向概括一下有三個:
波長擴展:中紅外;
高功率;
短脈沖。
 
常規(guī)參數(shù)的激光器也不是沒有研發(fā)空間,比如使用一些新材料、新結(jié)構(gòu)或開展應(yīng)用工作。
 
1.先說中紅外:
 
因為中紅外波段的瑞利散射較弱,因此比較適合作為遠(yuǎn)距離空間通信的光源,特別是3.5~5.5um波段的大氣窗口,缺乏增益介質(zhì),非線性頻率變換也比較難做,是研究較熱的一個方向。
 
還有就是該波段是許多分子的振動、轉(zhuǎn)動能級,可利用吸收譜線對其進行分子識別。
 
獲得中紅外波段激光,目前研究較熱的有個叫量子級聯(lián)激光器的方向,復(fù)合一個電子同時,發(fā)射多個中紅外波段的光子,而且波長可調(diào)諧,甚至可達(dá)到太赫茲,目前已有瓦級的商品化激光器。
 
此外,鉛鹽半導(dǎo)體也可利用俄歇效應(yīng)輻射中紅外激光,缺點是需要低溫制冷。
 
 
而光纖激光器,還有二極管泵浦固態(tài)激光器(所謂DPSSL),波長取決于選擇的增益介質(zhì),目前還很難得到3um以上的紅外,主要是多聲子馳豫影響激光的產(chǎn)生。目前主要是2um波段的摻銩、摻鈥光纖\全固態(tài)激光器。
 
還有就是差頻、OPO、OPA、OPCPA光源了,目前多以PPLN、PPLT、碳化硅SiC、KTP作參量晶體。
 
OPO調(diào)諧范圍寬,可實現(xiàn)較高平均功率(>4W),商品化較成熟。
 
OPA、OPCPA的優(yōu)點是單脈沖能量大。目前已有逆天的20mJ、20fs、20Hz的3.9um光源:(奧地利 維也納技術(shù)大學(xué)的Baltuska課題組)
 
不過這么逆天參數(shù)當(dāng)然離不開龐大的系統(tǒng):
 
 
2.高功率方面,主要沖著工業(yè)領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域去的。
 
CO2激光器目前仍是主流技術(shù),產(chǎn)品非常成熟,不鼓勵去。
 
此外主要是光纖和板條、薄片激光器。
 
高功率激光的難點說白了就是散熱,那么只有增大增益介質(zhì)的表面\體積比,而光纖、板條、薄片無非是增大散熱面的兩種路線。
 
由于光纖通過相干合束可以成倍提升平均功率,因此可以達(dá)到高達(dá)萬瓦量級的功率輸出。這方面主要是公司在引領(lǐng)潮流,大學(xué)研究所多為百瓦、千瓦級別,工業(yè)界和科研界已有相當(dāng)?shù)牟罹唷?/div>
 
高功率光纖方面,國外公司主要有IPG、Rofin(被Coherent收購)等。
 
以IPG為例:
 
一個模塊1kW,放一起合束一下,想要2萬瓦?有!~~想要10萬瓦?有!~~
 
 
 
 
這是2013年ASSL會議上報道的10萬瓦1070nm光纖激光器。國內(nèi)公司主要有瑞科等。
 
薄片激光器,科研單位同樣是做不過公司,如下是Trumpf的16kW薄片激光器鏡組:
 
 
 
(泵光多次往返激發(fā)增益介質(zhì)。)
 

不同于光纖激光器,大功率薄片激光器是將多個二極管泵浦的晶體薄片串聯(lián)在一個諧振腔里,通過設(shè)計大模場的腔模式,與光纖激光器相比優(yōu)點是可以運作在大能量上,而光纖運行在大能量模式上則難免造成較強的B積分,影響光束質(zhì)量。
 
板條激光器:
 
板條激光器和薄片激光器的一點點差別在于,板條多為側(cè)面泵浦或角泵浦。優(yōu)點是工藝成熟,體積小,級聯(lián)容易,缺點是光束整形難度高,比較難以得到較高品質(zhì)因子的激光放大。板條也可達(dá)到萬瓦級,是目前和化學(xué)激光器一樣,是激光武器的主流。
 
 
 
 
從工業(yè)應(yīng)用角度看,主要是因為脈寬越短,加工時間內(nèi)的熱擴散越小,加工精度高,不容易傷及無辜。
 
 
飛秒光與納秒光的加工對比圖:(德國漢諾威激光中心提供)
 
(a)200fs,120uJ                (b) 3.3ns, 1mJ
 
 
  飛秒光刻:(透明材料中加工光波導(dǎo))
 
 
還有飛秒激光做眼科手術(shù),同樣是加工精度高,制瓣速度快,切割平整。
 
 
醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用還有多光子顯微鏡和OCT。
 
圖為雙光子熒光和三次諧波技術(shù)結(jié)合的神經(jīng)細(xì)胞圖像。綠的是細(xì)胞核,紫的是細(xì)胞邊緣。激光中心波長810nm。
 
此外就是科研中的應(yīng)用。
 
飛秒化學(xué)啊、阿秒激光啦、光學(xué)頻率梳啦、強場物理啊、激光粒子加速器啊、太赫茲源啊……應(yīng)用相當(dāng)廣泛,每個都夠?qū)憥装夙摚∥也荒苷归_了。
 
單純研究超快激光器的話也有許多工作可以做,比如前面提到的光纖、薄片激光器,通過和超短脈沖技術(shù)的結(jié)合都已做到逆天的參數(shù)。
 
傳統(tǒng)的CPA、OPCPA技術(shù)就不介紹了,目前發(fā)展主要瞄準(zhǔn)高峰值功率、高平均功率、短脈沖、極紫外、中紅外幾個方向,而以上幾個亮點相融合的工作,則受到高度重視。
 
例如前面提到的光纖和薄片,結(jié)合飛秒脈沖以及光譜展寬技術(shù),各自實現(xiàn)了高平均功率的周期量級光脈沖。
 
這是2016年Jena 耶拿大學(xué)Tunnermann課題組的工作,通過級聯(lián)的光譜展寬,利用660W的光纖放大光,經(jīng)啁啾鏡壓縮后實現(xiàn)了216W、6.3fs的脈沖輸出,重頻127MHz。這個脈寬即使和常規(guī)的鈦寶石展寬壓縮后的脈寬相比,也毫不遜色。
 


 
像我這些做傳統(tǒng)鈦寶石CPA的表示——人比人得死,貨比貨得扔!~~  這是腿哥Oleg Pronin和我?guī)熜謴埥饌プ龅谋∑す馄鳎?/div>
 


 
 
通過光子晶體光纖進行光譜展寬,在90W、250fs入射下,獲得了50W、19fs的壓縮結(jié)果。光譜覆蓋6.8~16.4um,也是不到兩個周期。  超短脈沖激光方面,依然是光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。不論是大能量、高功率、短脈沖還是頻率擴展等等,仍有很大研究發(fā)展的空間和應(yīng)用價值,歡迎有志青年入坑~~

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激光技術(shù)研究方向應(yīng)用細(xì)分
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