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超快激光技术:没有绝对的“王者”

超快激光技术正以高效与精准重塑产业格局。结合革命性的光束整形与人工智能,其在微加工、量子科技等领域的应用不断突破“更快、更短、更强”的极限。

皮秒(10⁻¹²秒)、飞秒(10⁻¹⁵秒)、阿秒(10⁻¹⁸秒)甚至仄秒(10⁻²¹秒)的时间尺度差异令人难以想象,但在探讨前沿科学研究与应用时,激光脉冲越短,引发的变革就越激动人心。超快激光凭借纳米级乃至更小尺度的精密加工能力,在量子技术、柔性电子与可持续能源等新兴领域大放异彩。

让我们一起听听,全球知名的超快激光领域领袖如何看待:超快激光技术的快速发展对于他们意味着什么?

超快激光技术:没有绝对的“王者”

从左至右:Midel Photonics联合创始人兼董事总经理David Dung,MKS Instruments销售副总裁Markus Rütering,Fraunhofer ILT表面技术部负责人Christian Vedder

发展趋势:

永不停歇的“奥林匹克”

“人类天性追求更快、更强、更远,这种精神推动着超快激光技术的持续进步。”MKS Instruments(旗下拥有Newport Spectra-Physics与Ophir)销售副总裁Markus Rütering以奥运格言“更快、更高、更强、更团结”,类比超快激光的发展方向——更快、更高功率、更低成本、更广泛应用。

Fraunhofer ILT表面技术部负责人Christian Vedder强调效率与精度的双重提升:“超短脉冲激光烧蚀的精度源于逐层微量去除材料,但这也导致加工速度较慢。我们需要更高功率的超短脉冲激光与多光束偏转系统来提速。”

尽管大多数用户和开发者都聚焦于性能提升,但这并不意味着超快激光市场是“一刀切”的。Midel Photonics联合创始人兼董事总经理David Dung补充道:“微加工领域对多焦点系统与定制化平顶光束的需求日益增长,激光束整形技术需满足多样化应用场景。”

技术共存:

没有绝对的“王者”

尽管超快激光前景广阔,但没有人愿意将所有赌注押在单一技术上。

“Spectra-Physics同时提供纳秒、皮秒与飞秒脉冲激光器,很难断言哪种技术占据主导。”Rütering指出,“我自1989年进入激光行业以来,‘何种激光适合何种应用’的讨论从未停止。新技术总在不断涌现,我们必须持续创新以满足市场需求。”

Vedder坦言脉冲激光技术仍在持续演进,同时也面临着压力。“尽管高功率材料加工不断突破,但现有工业激光器仍占据重要地位。如今纳秒激光器虽然已成为商品,购买非常便捷,但超短脉冲激光器价格依然高昂。”

市场开拓:

半导体与显示行业的机会

尽管纳秒激光在切割、焊接等传统工业中仍占一席之地,他们更关注未来的创新方向。Dung指出:“随着超短脉冲激光技术的成熟,更多新领域将被解锁。”例如,微加工正朝着更精密的方向发展,如表面改性和材料功能化。

Rütering以半导体行业为例,“最新技术已涉及2纳米节点,因此微加工需要实现微米级的钻孔、切割和曲线加工。若要切割越来越窄的曲线,波长将直接影响光斑尺寸。例如,半导体行业正朝着更紧凑的方向发展,微加工技术在其中得到广泛应用。”

Dung补充道:“波长缩短使得特征尺寸更小,这对半导体行业尤其重要,但也适用于显示制造业 ——Mini/MicroLED 生产趋势要求非常小且精确的平顶光束轮廓,以匹配矩形像素尺寸。”

区域差异:

亚洲量产与欧洲高精度的博弈

“半导体应用主战场在亚洲,欧洲缺乏大规模芯片厂。”Rütering分析道。

Vedder指出亚洲市场更激进,“当地几乎无激光使用法规,企业可快速部署高功率激光设备,但也带来成本压力。”

而欧洲的优势在于高精度应用,Rütering 指出,“欧洲在光伏产业、生物仪器(如白内障手术激光)等领域对精密加工的需求旺盛,这些技术在其他地区尚不普及。”

光束整形:

效率与复杂性的平衡

“能用高斯光束解决的问题,没人愿意增加光束整形模块。”Rütering直言简化系统是行业共识,但特殊应用仍需定制方案。

Vedder以能量密度阈值解释效率瓶颈,“高功率短脉冲激光需搭配特定强度分布的多光束阵列。”

Vedder还展望了AI与光子学的协同,“我认为数字技术和人工智能将给市场带来颠覆性变化。人工智能已在质量监测、预测性维护等领域赋能光子学,而利用光子学提升AI计算效率——例如通过空间光调制器构建光子神经网络——正成为新方向。”神经网络可通过将不同光属性视为隐藏层中的信息(由空间光调制器中的像素节点表示),并允许强度分布变化来实现这一点。

科学与工业:

需求驱动的技术双轨制

“工业界追求规模化,科学界则需要量身定制的极限性能。”Rütering对比两者差异,“飞秒激光已用于工业,而科研正探索阿秒甚至仄秒脉冲(10⁻²¹秒)。”尽管工业市场收入远超科研,但他强调基础研究不可忽视,“今日的学生是明天的客户。此外,科研用激光器通常不是量产产品,它们被推向技术极限——有时甚至超越极限,这有助于我们开发新的工业应用。”

Vedder以“爱玩的孩子”自喻科研人员,“我们需要参数可调的全能激光器,而工业界只要稳定易用的专用工具。这正是核心差异。”

未来趋势:

波长缩短与跨领域协同

“微加工向更短波长推进,从红外、紫外到深紫外的应用不断扩展。”Dung指出技术趋势。Rütering从产品角度补充,“紫外飞秒激光已实现50 W功率,未来将拓展更多波长。”但他提醒勿忽视传统技术:“纳秒激光器并未退出历史舞台,特定场景仍不可替代。”

Vedder总结技术生态,“激光器进步需与光学系统(如光束整形)、人工智能同步发展。毕竟,如何高效传递激光能量才是终极命题。”

这场速度与精度的竞赛远未终结,正如专家们所言“我们始终是追逐光的孩子”。在产业与科研的双轮驱动下,超快激光将继续改写精密制造的边界。

来源:electrooptics

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