20多年前，生產(chǎn)中使用的唯一真正的紫外（UV）激光器是準分子激光器，其典型的脈沖寬度約20ns，在當時也被稱為超快脈沖（UFP）激光器。事實上，Lumonics公司（位于美國馬薩諸塞州的貝德福德）擁有一款2ns的激光器，而當時有一些應(yīng)用，在選擇了低納秒級的脈沖寬度后，其工藝品質(zhì)出現(xiàn)了明顯的差異。
在可見光譜的另一邊，幾乎全部使用Nd:YAG激光器或其衍生產(chǎn)品來處理紅外（IR）。當時的紅外光纖激光器（和碟片激光器）不具備任何的工業(yè)意義，即便今天它們是行業(yè)的主力。針對光譜可見部分的調(diào)研工作在那會兒可謂是剛剛開始。
在過去10年內(nèi)，超快脈沖技術(shù)——即脈沖寬度<1ns的激光器已成為生產(chǎn)車間的標準。因此，當為特定任務(wù)選擇正確的紫外（UV）激光器時，還有一些選擇方案可供參考。此外，當購買一款在UV 波長、可見波長和紅外波長范圍操作的超快脈沖激光器時，通常會一并提供解決方案。在典型的制造環(huán)境中，通常僅使用一種波長，因為在該環(huán)境中，需要加工處理的部件和材料的數(shù)量非常少。對于研發(fā)或類似工作車間的環(huán)境而言，往往需要用到所有三種波長。在我們的實驗室中，我們有納秒、皮秒和飛秒激光器，所有這些激光器都以紅外、可見和紫外波長操作，以便客戶可以對多種可能性進行調(diào)研，從而為其手頭的加工任務(wù)選擇正確的配置。
圖1是一張顯示脈沖持續(xù)時間（從飛秒到連續(xù)波[CW]）和波長（從紅外到紫外) 的曲線圖。具有接近原點（左下）的輸出特性的激光器是實現(xiàn)最高品質(zhì)特性的加工任務(wù)的理想選擇，因為它們同時具有短波長和短脈沖寬度。 右上方的激光器具有長脈沖寬度和紅外波長，因而這些激光器通常不適合于微加工應(yīng)用，盡管它們可能對諸如焊接、接合、表面處理和增材制造等其它領(lǐng)域會非常有用。值得注意的是，沒有提及具有如左上所示的輸出特性的激光器的應(yīng)用— 使用長脈沖UV 激光對于大多數(shù)應(yīng)用會有些適得其反。因此，本文主要重點討論包在藍色陰影區(qū)域內(nèi)的激光器。
圖1：脈沖持續(xù)時間以及波長曲線
此外，盡管CO2激光器和準分子激光器均有被提及，并且這兩種激光器在材料處理中仍然具有很大價值，但是當前的討論將集中于波長為2μm至約300nm的激光器。這也排除了四倍頻激光器，但是這類激光器在皮秒和飛秒激光器得到商業(yè)化之前更為有用。并且基于可靠性問題，它們不被使用，除非絕對有必要（例如準分子激光器）。
表：紅外、可見光及紫外激光器的特征
上表顯示了本文所討論的三種波長的一些特征。 簡而言之，紫外光子的成本更高，并且其功率比紅外光子更低，但是可以實現(xiàn)更小，更清潔的特征，并且材料去除更為精確，但要比使用紅外光子更慢。 可見波長用于需要的應(yīng)用領(lǐng)域，例如透明材料的背面處理或去除氧化銦錫（ITO），但鑒于眼睛安全問題，通常首先考慮其它的替代方案。
納秒激光器
二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器是在20世紀90年代末被首次引入工業(yè)環(huán)境的。 當時，第一臺此類激光器僅具有幾瓦的低輸出功率，其波長為355nm。在二極管泵浦之前，使用燈泵浦可獲得激光，但是這類激光器是非常不可靠的。當時，幾瓦的納秒紫外光的成本超過10萬美元。
隨后，納秒激光器的市場變得越來越成熟，而這些激光器現(xiàn)在也可以從許多不同的制造商（提供紅外、可見和紫外波長）處購買到，10W紫外輸出功率的納秒激光器的價格低于5萬美元。在大多數(shù)情況下，這些激光器的脈沖持續(xù)時間介于幾十到幾百納秒的范圍內(nèi)。
皮秒激光器
皮秒激光器是一種脈寬為皮秒的激光器。具有皮秒級超短脈寬、重復(fù)頻率可調(diào)、脈沖能量高等特點。皮秒激光器在2005年首次得到商業(yè)化引入，超快激光器領(lǐng)導(dǎo)者Lumera Laser公司（現(xiàn)已被美國相干公司收購）是當時主要的市場參與者。當然，見證許多其它參與者涌入這個市場并沒有花費太長的時間——現(xiàn)在，無論是科研用激光器或是工業(yè)用激光器，都能提供多種選擇。幾乎所有的皮秒激光器的脈沖寬度都介于2ps到20ps之間。有一些激光器的脈沖寬度為幾百皮秒，但這些激光器在大多數(shù)的應(yīng)用中都是值得商榷的。事實上，該脈寬范圍的很大一部分被稱為“死亡谷”，因為材料的交互作用和性能相當差—— 當然和使用納秒激光器一樣糟，并且在許多情況下，質(zhì)量甚至更差。所以當討論皮秒激光器時，應(yīng)當指的是脈沖寬度低于20ns（可能長達50ns，但不再超過）的激光器。
針對超快脈沖（UFP) 激光器效用的斷言之一是存在與波長無關(guān)的吸收性。在更短的脈沖寬度范圍，這一點可能是對的，但是在10ps 的脈沖寬度下，使用紅外波長與紫外波長加工的部件的質(zhì)量幾乎總會產(chǎn)生差異。
圖2：使用納秒激光器和皮秒激光器加工的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。
例如，圖2顯示的是使用100mm平場聚焦透鏡以及在每個不同樣例中使用大致相同的輸出功率加工的50μm 厚的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的特征。納秒紅外和紫外樣品（c-d）的邊緣處均顯示有大量的碎片和炭化效果。皮秒激光器加工的樣品（g-i）相較于納秒樣品都有顯著改善，但在10ps 脈沖寬度下，三個波長之間仍然存在視覺差異。
因而，面臨的問題總是：“對于手頭的應(yīng)用，怎么樣的質(zhì)量是足以應(yīng)對的”？由于紅外波長具有更多的可用功率并且其光子的成本小于UV 光子，所以該波長被用于大多數(shù)應(yīng)用。然而，如果要求呈現(xiàn)最高質(zhì)量和/或展現(xiàn)最小的特征尺寸時，UV波長則是非常有用的。通常，當更高的功率對目標質(zhì)量具有價值時會使用皮秒激光器。
當這些激光器首次出現(xiàn)時，其成本超過30萬美元。現(xiàn)在，中功率（20W）的紅外激光器的成本約為13-15萬美元，諧波和更高功率的激光器的成本超過20 萬美元。德國EdgeWave公司也提供使用板條激光放大器的高功率激光器，但一般來說這類激光器通常被用于非常特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。
作為超快激光器市場的新入市者，IPG Photonics公司推出的一款15ns脈沖寬度的50W 激光器的售價約為6.5萬美元。除了成本低之外，這些激光器從冷啟動到預(yù)熱只需要60秒的時間。
飛秒激光器
就飛秒激光器來看，市場上能買到的產(chǎn)品的脈沖寬度約在10fs到900fs之間，但真正有用的脈沖寬度范圍是介于200fs到500fs之間。在500fs以上，該飛秒激光器實際上更像是皮秒激光器。而在200fs以下，通常沒有明顯的質(zhì)量改進，并且由于光的寬帶特性，光學(xué)元件變得更難以管理。在這個有效的范圍內(nèi)，就大多數(shù)材料而言，許多在質(zhì)量上沒有呈現(xiàn)出顯著的差異，因此這類激光器的大多數(shù)應(yīng)用目前使用的還是基本波長。另外，諸如玻璃和一些聚合物等材料，即使在飛秒范圍，使用UV 波長加工也能獲得更好的邊緣質(zhì)量——而UV波長在需要最小的光斑尺寸時也同樣有用。值得注意的是，較小光斑尺寸的其他優(yōu)點之一是較小的切口，這意味著去除的材料更少、 因而產(chǎn)生的碎屑更少，以及最終獲得的切口更光潔整齊。
與上述皮秒激光器一樣，這些飛秒激光器的最初入門價格超過30 萬美元。現(xiàn)在，大功率（20W）的專用紅外激光器的成本約為20萬至22.5萬美元，而諧波式的激光器成本則再需要增加2萬美元。
在高能量和高功率產(chǎn)品領(lǐng)域，類似Amphos（位于德國Herzogenrath）這樣的公司生產(chǎn)具有幾百瓦輸出功率的飛秒激光器，但這些激光器通常不用于典型的微加工領(lǐng)域，并且其往往價格不菲。另外，位于立陶宛維爾紐斯的Light Conversion公司銷售一種氣冷型、功率極小、并且成本僅超過10 萬美元（3W紅外）的飛秒激光器。而位于法國Pessac的高科技激光公司AmplitudeSystèmes 提供100W功率，300μJ/脈沖地激光器；以及一款脈沖寬度小于500fs的全新的、低成本的10W 激光器。同時，類似光譜物理（Spectra-Physics）以及相干（Coherent）等行業(yè)巨頭也提供極具競爭力的同類產(chǎn)品。
下一步是什么？
如今，我多年前期望得到的理想的激光器幾乎已獲得。雖然不太確定這一切究竟是如何一步一步演變和發(fā)展至此的。幾年前，我可能會需要脈沖能量更高的激光器，但是在過去幾年中，對于大多數(shù)應(yīng)用而言，甚至不會用到這些功率或脈沖能量水平的產(chǎn)品。
當使用電流計時，一個良好的基準是皮秒和納秒激光器需要至少50μJ 的脈沖能量，而脈沖寬度<500fs的飛秒激光器需要25μJ的脈沖能量。單位脈沖能量過多，或是太高的重復(fù)率都有可能損害目標品質(zhì)。 Photonics Industries公司（位于美國紐約州的Ronkonkoma）正出售脈沖能量為700μJ 并且針對那些在實際應(yīng)用中真正需要這一能量值的激光器。轉(zhuǎn)而使用脈沖寬度約小于200fs 的激光器并不是一個理想的選擇。因此，產(chǎn)品體型更小、價格更低廉似乎成為發(fā)展方向。鑒于此，利潤率將進一步受到影響，但當這些激光器價格低于10萬美元時，其銷售量將會顯著增加。
最后，為應(yīng)用需求選擇正確的激光器的簡單方式是選擇品質(zhì)良好且性價比最高的產(chǎn)品。我評估一個應(yīng)用并且假設(shè)可以使用紅外光子納秒激光器對其進行加工；如果不行，則再考慮使用可見光或紫外光子的激光器和/或采用短脈沖型激光器。這似乎是一個相當艱巨的任務(wù)，但包括激光制造商和激光承包生產(chǎn)商等在內(nèi)的良好資源能夠在這一過程中為您提供幫助。
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