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    碟片激光技能（Disk Laser Technology）是20世纪90年月成长起来的一种高机能固态激光技能，以其怪异的热治理设计、高光束质量及功率可扩大性，于工业制造、医疗和科研范畴盘踞主要职位地方。本文将从技能道理、成长过程、运用场景和将来趋向等方面，体系综述碟片激光技能的研究进展与财产化近况。

技能道理与布局特色

碟片激光器的焦点立异于在其增益介质设计。传统固态激光器（如棒状或者板条激光器）因热效应致光束畸变，碟片激光器则采用100 m量级厚度的薄盘状晶体（如掺镱钇铝石榴石 Yb:YAG），经由过程多通泵浦布局优化实现高效散热与高功率输出。这类设计让碟片激光器于千瓦级功率下，仍能连结近衍射极限的光束质量（M 1），成为高精度加工的抱负光源。碟片激光器于多方面具备怪异上风，重要表现于散热、功率、效率、光束质量等方面，这使患上其于工业加工及科研范畴备受青睐。

（1）卓着的散热机能

怪异的布局设计：碟片激光器的增益介质采用厚度仅为 100~300 m的薄盘状晶体，如 Yb:YAG。这类薄盘布局极年夜地增长了散热外貌积，使患上热量可以或许更快速地披发出去。同时，薄盘经由过程反面水冷散热，热梯度小，能有用防止热透镜效应，包管了激光器于高功率运行时的不变性及光束质量。

高效的轴向散热：薄盘经由过程高导热衬底，如金刚石或者铜钨合金，与冷却体系直接接触，热量可沿轴向匀称扩散。这类轴向散热设计防止了横向温度梯度的孕育发生，进一步削减了热透镜效应等热致光学畸变问题，确保了激光器的机能不受热量堆集的影响。

（2）高功率输出能力

多碟片组合：碟片激光器可以经由过程多碟片串联或者并联的方式，轻松实现功率的扩大。从千瓦级到万瓦级的输出能力，使其可以或许满意各类差别工业运用及科研需求。例如于工业加工中，高功率碟片激光器可用在厚板切割、深熔焊接等对于能量要求较高的工艺。

不变的高功率运行：患上益在优良的散热机能及优化的光学布局，碟片激光器于高功率输出时，可以或许连结不变的事情状况。比拟其他类型的激光器，碟片激光器于永劫间高功率运行历程中，可以或许更有用地防止因热堆集等问题致使的功率颠簸及机能降落，包管了加工质量及试验成果的靠得住性。

（3）高光束质量

靠近衍射极限：碟片激光器可以或许连结近衍射极限的光束质量，凡是其光束质量因子 M 1 或者 M 1.1。这象征着激光束具备高度的标的目的性及聚焦能力，可以或许于方针上孕育发生极小的光斑尺寸，从而实现高精度的加工及丈量。于科研范畴，高光束质量的激光对于在周详光谱学、量子光学等试验至关主要，可以或许提高试验的分辩率及正确性。

低光学畸变：薄盘状增益介质及优化的光学腔设计，使患上碟片激光器于激光孕育发生及传输历程中，孕育发生的光学畸变极小。这包管了激光束于流传历程中的外形及质量，使其可以或许于长间隔传输及高能量密度运用中连结优良的机能。

（4）高电光转换效率

高效泵浦布局：碟片激光器采用多通泵浦布局，泵浦光屡次穿过碟片，凡是为16-32次，显著提高了泵浦效率。这使患上输入的电能可以或许更有用地转化为激光能量，其电光转换效率可达30%以上，远高在传统固体激光器的10%-20%及CO 激光器的约10%。

削减能量损耗：碟片反面镀有高反射膜层，形成谐振腔，削减了腔内损耗。同时，优化的光学元件及光路设计，也进一步降低了激光传输历程中的能量丧失，提高了总体的电光转换效率，降低了运行成本，提高了能源使用效率。

（5）增益介质长命命

低应力设计：因为碟片激光器的薄盘布局可以或许有用降低热应力，增益介质于持久事情历程中遭到的热毁伤较小，从而延伸了碟片的利用寿命。碟片的寿命凡是可达数万小时，比拟其他一些激光器，年夜年夜削减了维护及改换部件的频率及成本。

不变光学机能：长命命的增益介质可以或许包管激光器于永劫间运行历程中，连结不变的光学机能。这对于在需要持久不变事情的工业出产及科研试验来讲，具备主要意义，可以或许削减因激光器机能变化而带来的出产质量颠簸及试验偏差。

（6）波长可扩大性

非线性晶体运用：碟片激光器可以经由过程采用非线性晶体等技能，实现波长的扩大。可以或许孕育发生515nm 绿光、343nm紫外等多种波长的激光输出，满意了差别范畴对于特定波长激光的需求。

多范畴运用撑持：差别波长的激光于各个范畴有着怪异的运用。例如，绿光激光于水下通讯、生物成像等范畴具备上风，紫外激光于微电子制造中的光刻工艺、质料外貌处置惩罚等方面有主要运用。

图1所示为中辉激光推出的典型碟片放年夜模块，最高可以得到跨越3kW储能。

图1：碟片放年夜模块。

成长过程与技能冲破

碟片激光技能的成长是一个布满立异与冲破的历程，如下是其具体成长过程。

（1）初期摸索与观点形成

20 世纪80年月末至90年月初，跟着工业制造及科学研究对于高功率、高质量激光光源需求的不停增加，传统的固体激光器如棒状激光器及板条激光器，因为热效应问题，于功率晋升及光束质量连结方面碰到了瓶颈。科研职员最先追求新的技能方案来解决这一难题。

1994 年，德国斯图加特年夜学的 Adolf Giesen 团队初次提出了 Yb:YAG 碟片激光器的观点，其焦点是采用厚度仅为0.1~1妹妹的薄盘状Yb:YAG晶体作为增益介质，这类怪异的薄盘布局为解决散热问题提供了新的思绪。

（2）观点提出与试验室验证阶段（1990 - 2000年）

技能道理验证：于这一阶段，研究职员重要致力在从理论及试验两方面验证碟片激光器观点的可行性。经由过程对于薄盘状增益介质的热特征、光学特征等举行深切研究，设计并搭建了基在碟片布局的激光试验体系。

功率冲破：实现了百瓦级的激光输出，证实了碟片激光器于解决散热问题后，可以或许于必然水平上提高激光输出功率及光束质量。但此阶段的碟片激光器仍处在试验室研究阶段，于不变性、靠得住性以和成本等方面还有存于诸多问题，间隔贸易化运用还有有较长的路要走。

（3）工业化运用与功率晋升阶段（2000 - 2010年）

贸易化初步：2000年月初，德国Trumpf公司推出了首台商用碟片激光器TruDisk系列，标记着碟片激光技能最先走向工业化运用。该系列产物功率冲破千瓦级，依附其高功率、高光束质量及较好的不变性，迅速于汽车制造行业的车身焊接等范畴获得了广泛运用，公共、宝马等汽车品牌都采用了TruDisk系列碟片激光器举行车身焊接，年夜年夜提高了焊接质量及出产效率。

国际竞争与成长：同期，美国相关公司（Coherent）及日本松下（Panasonic）等国际知名企业也插手到碟片激光器的研刊行列，形成为了国际竞争与互助的场合排场。各企业经由过程不停优化技能及工艺，鞭策碟片激光器的功率向万瓦级迈进，进一步拓展了碟片激光器于工业加工范畴的运用规模，如于厚板切割、外貌处置惩罚等方面也揭示出了优秀的机能。

（4）多波长扩大与超快技能交融阶段（2010年至今）

波长扩大：最近几年来，跟着质料科学及非线性光学技能的成长，碟片激光器经由过程采用非线性晶体等技能手腕，实现了波长的扩大。乐成孕育发生了515nm绿光、343nm紫外等多种波长的激光输出，满意了微电子制造、医疗美容、生物成像等对于特定波长激光有需求的范畴。例如，于微电子制造中，紫外波长的碟片激光器可用在高精度的光刻工艺；于医疗范畴，绿光及紫外光可用在皮肤病医治、眼科手术等。

超快技能交融：碟片激光器还有与超快激光技能实现了深度交融，作为超快激光放年夜器（如飞秒脉冲）的泵浦源，为阿秒科学及强场物理等前沿科学研究提供了强盛的技能撑持。于阿秒科学研究中，碟片激光器驱动的超快激光体系可以或许孕育发生阿秒级的光脉冲，使科学家可以或许直接不雅测及操控原子及份子内部的电子运动，为摸索微不雅世界的物理纪律提供了新的手腕；于强场物理范畴，高功率碟片激光器孕育发生的强激光场可以与物资彼此作用，孕育发生高次谐波、相对于论效应等一系列新颖的物理征象，鞭策了强场物理学科的成长。

将来，碟片激光技能有望于进一步提高功率、优化光束质量、降低成本、拓展运用范畴等方面取患上新的冲破，与其他新兴技能的交融也将为其成长带来更多的可能性。中辉激光作为海内工业级碟片激光器供给商，陆续推出了功率100~1000W，脉宽800fs~20ns，光束质量M2从1.1到25的系列脉冲激光产物。2019年完成工业化碟片增益模块的研制；2020年海内率先完成切合工业尺度的碟片激光度量产机型；2022年推出工业级150瓦系列碟片激光器产物；2024年头推出工业级300W系列碟片激光器产物；同年9月推出工业级1000W系列碟片激光器产物。该系列激光产物具有三年夜特点：脉冲从数百飞秒到数十纳秒可定制；光束质量M2从1.1到20可定制；功率从百瓦到数千瓦可定制。

图2：中辉激光差别功率的激光器产物。

图3：中辉激光激光器脉宽输出能力。

碟片激光器的运用

（1）纳秒级碟片激光器（1~1000ns）

技能特色：脉冲能量随脉宽延伸而增长，1000ns 脉宽下可达数百焦耳；1~100ns以快速热打击为主，100~1000ns为渐进式热传导，典型功率1~10kW（工业级）。

分段运用场景：

1~100ns：用在高精度切割/标志，如汽车电池极耳切割，100ns脉宽暗语无毛刺。

100~500ns：合用在厚板焊接/熔覆，核电站不锈钢管道焊接，300ns脉宽熔深达8妹妹。

500~1000ns：用在大要积质料处置惩罚，矿山机械齿板外貌硬化，800ns脉宽硬化层厚度1.2妹妹。

新增运用：超厚金属钻孔，石油钻杆深孔加工；高份子质料改性，轮胎模具外貌纹理加工；航空航天涂层断根，飞机蒙皮聚氨酯涂层剥离。

（2）皮秒级碟片激光器（1~1000ps）

技能特色：1~100ps 实现 冷加工 ，100~1000ps热影响区逐渐增年夜；1ps 脉宽下峰值功率可达10GW级，1000ps降至100MW级，反复频率1~10MHz。

分段运用场景：

1~10ps：用在脆性质料切割，手机玻璃盖板异形切割，5ps 脉宽崩边 2 m。

10~500ps：合用在薄膜加工/打标，太阳能违板膜刻蚀，200ps 脉宽线宽15 m。

500~1000ps：用在中等精度焊接，周详传感器封装焊接，800ps脉宽热影响区50 m。

新增运用：3D玻璃成型，车载曲面触控屏热弯模具加工；多层PCB 微导通孔，5G基站电路板通孔加工；生物构造溶解，牙科莳植体外貌活化。

（3）飞秒级碟片激光器（1~1000fs）

技能特色： 100fs主导非线性电离，100~1000fs 热弛豫效应加强；1fs脉宽对于应0.3 m空间分辩率，近衍射极限；经由过程OPO可笼罩 UV - THz波段。

分段运用场景：

1~100 fs：用在量子质料制备，拓扑绝缘体外貌态调控，50fs 脉宽，缺陷密度 10 /cm 。

100~500 fs：合用在超周详钻孔，喷墨打印机喷嘴加工，300fs脉宽，孔径5 m 0.1 m。

500~1000 fs：用在透明质料改性，VR透镜波导布局刻写，800fs脉宽，折射率变化 n = 0.01。

新增运用：太赫兹波孕育发生，安检成像体系光源；钙钛矿薄膜划线，光伏组件P1/P2/P3层加工；细胞级手术，神经元突触精准堵截。

将来运用

激光剥离（LLO）

Micro LED制造：206nm深紫外：直接解离GaN/蓝宝石界面，实现原子级平整剥离（粗拙度 2nm）；515nm绿光：经由过程多光子接收处置惩罚透明蓝宝石，良率达99.5%。

柔性显示：257nm紫外：剥离聚酰亚胺（PI）基板，速率120妹妹/s（零碳化）；1030nm红外：断根硅基姑且键合胶层，效率晋升3倍。

技能亮点：多波长协同（如1030nm预热+206nm解离）降低热应力70%。

激光退火（LA）

半导体系体例造：515nm绿光：LTPS晶粒尺寸调控（50~300nm），用在OLED违板；343nm紫外：修复MoS 硫空位，缺陷密度降至10 /cm 。

进步前辈芯片：257nm深紫外：钙钛矿薄膜退火，效率25.5%（按捺Pb 缺陷）；1030+515nm双波长：3 nm FinFET掺杂活化率 99.9%。

技能亮点：超快退火（500fs）实现钙钛矿相变，载流子迁徙率晋升30%。

脉冲激光沉积（PLD）

超导质料：257nm紫外：沉积YBCO薄膜，临界电流密度 5MA/cm （77 K）；206nm深紫外：Bi Sr CaCu O 单原子层外延（偏差 0.2 ）。

复合薄膜：1030nm红外+515nm绿光：制备DLC-MoS 超润滑涂层（磨擦系数 0.05）；三波长协同（1030/515/343nm）：一步沉积透明导电叠层薄膜（透光率 92%）。

技能亮点：MHz级高重频沉积（AlN薄膜速度10 m/h），适配量子质料制备。

图4：激光剥离道理图。

图5：激光退火道理图。

图6：脉冲激光沉积道理与体系：（a）PLD道理图；（b）PLD体系。

技能挑战与将来趋向

只管碟片激光技能已经趋成熟，但仍面对如下挑战：

成本竞争：光纤、块状激光器依附更低成本及模块化设计，于中低功率市场盘踞上风。

热治理极限：功率跨越20 kW时，碟片边沿热应力可能致使晶体开裂，需开发新型复合质料（如Yb:CALGO）。

能量极限：得到焦耳量级超快或者纳秒激光脉冲输出同时，包管激光平均功率到达千瓦量级。

波长矫捷性：现有波长扩大依靠非线性晶体，效率丧失较年夜，亟待开发直接发射多波长碟片。

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