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飞秒激光器推进我国先进制造产业发展

20191011日,来自天津凯普林激光的总经理顾新华在由OFweek维科网主办、OFweek激光网承办的“OFweek 2019(第十六届)中国先进激光技术应用峰会”上发表了“飞秒激光器的应用现状与前景”的主题演讲。

顾新华主要围绕飞秒激光器简介与市场前景、应用举例及其基本原理、应用前景预测3大话题展开分享,并就凯普林可提供的超快激光器向与会者进行简单介绍。

飞秒激光器推进我国先进制造产业发展

天津凯普林激光的总经理顾新华

激光器简介与市场前景

进入话题,顾新华首先介绍飞秒激光器及其基本架构。他分享到,1飞秒 = 10-15秒,相当于1秒相对于31.7兆年的时间跨度,在典型的500千赫兹500飞秒光脉冲中,每间隔600米(2 μs)的距离,仅有0.15mm500 fs)是有光的,光能就集中在这短短的500fs中,也就是说飞秒光脉冲拥有非常高的瞬间功率,50微焦耳500飞秒的峰值功率可达到1亿瓦。在这么高的峰值功率下,任何形态的物质都瞬间变成等离子体。相对皮秒,飞秒激光器要复杂得多,所需的展宽器、压缩器两个核心器件很难在国内寻求得到。

根据美国Strategies Unlimited2016年做的预测,飞秒激光器2019年市场份额可达2.34亿美元,年增速为12.1%;皮秒激光器市场规模约为2.26亿美元。需要说明的是,到2025年,眼科用飞秒激光器市场规模可做到2亿美元,年复合增速约为7%;而非生物相关的超快(飞秒皮秒)激光器达到6.75亿美元,年复合增长率达13%。

介绍完国际市场,顾新华继续向OFweek听众分享国内的市场情况,据其介绍,根据中国激光发展报告数据,2018年国产皮秒和飞秒激光器总出货量为850台;预计2020年达到2200台,产值规模可达53.8亿元人民币。

基本原理及应用举例

顾新华首先强调材料加工的三大因素:加工质量要求、加工速度要求、成本限制,在简单阐述分析三者关系后,着重介绍飞秒激光器加工优势所在。顾新华通过对CWNanoPicoFemto四种激光脉冲的加工研究成果进行比对分析,发现采用飞秒激光器加工时,热影响区(HAZ)很小,加工切口非常平滑,与其他几种脉冲相比,效果非常明显。

紧接着,顾新华进一步分析了飞秒激光器加工HAZ小的原因及原理、飞秒激光器在材料加工时的能量密度规则、脉冲串的作用等。

借着飞秒激光器加工优势介绍的余热,顾新华话题一转,切入飞秒激光器在材料精密加工上的应用案例分享。主要从以下5个方面进行阐述分析:

①医疗行业:应用领域如心血管支架、眼科等,会上顾新华主要介绍心血管支架的应用;

②钻孔:可应用于航空叶片、汽车发动机喷油嘴钻孔等的加工。如汽车喷油嘴加工,采用飞秒激光器可获得更为精密的器件;

③材料微纳加工:可在表面改性(疏水、亲水)方面发挥作用;

④显视、微电子:可用于OLEDFPCPI膜等柔性材料加工,主要采用紫外、绿光,可获得更为精密的加工效果;

5G材料:在5G天线材料、电池制备、电磁屏蔽材料、高频高精度电路板的制备、微波介质陶瓷的加工、玻璃与陶瓷的不同组合焊接等方面均可采用皮秒或飞秒激光加工技术。

飞秒激光器推进我国先进制造产业发展

观众在认真听顾新华总经理主题演讲

应用前景预测

从设计层面看,飞秒激光器将会朝着3个方向发展,首先是往以紫外光为代表的短波长方向走;其次是往高功率方向走,突破1000瓦功率,且分束使用(如18116)也是重要发展趋势;第三是往大于1GHz的高重频方向发展,可应用于Ablation Cooling(烧蚀冷却),自然杂志曾在2016年发表的一篇学术论文就介绍过,所需脉冲能量随重频成比例下降,并且材料去除速度(加工速度)至少增加10倍。

在应用层面,飞秒激光器也会推动新技术、新产业的发展。首先是加速5G应用开发;其次是推动精密加工工艺开发获得前所未有的进步,包括增材和减材等领域,如玻璃跟铜、玻璃跟因钢、蓝宝石跟因钢等的焊接;再就是加速提升国内自主开发的眼科设备的技术水平。

演讲最后,顾新华从性能、关键参数、产品种类几个维度介绍了凯普林目前颇具代表性的几款皮秒、飞秒超快激光器,并从电控领先优势阐述凯普林激光器的先进性。

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