二、超快激光器的基本介绍
（一）超快激光器的应用优势
1960年，第一台激光器——红宝石激光器问世为超快过程的研究打开了门户，随后出现的调Q技术和锁模技术使得超快激光取得了长足进步。区别于常规连续或者长脉冲激光，超快激光的特点是脉冲宽度是皮秒、飞秒级。按照增益介质来划分的话，超快激光器属于固态激光器，且可进一步细分为固体激光器、光纤激光器、混合激光器；按照运转方式来划分的话，超快激光器属于脉冲激光器，且可进一步细分为皮秒激光器、飞秒激光器。
由于超快激光器的脉冲时间短、峰值功率高，等离子体还没来得及将能量传递给周围材料，就已经从材料表面被汽化，不会给周围的材料带来热影响，属于超精密“冷加工”，可以解决常规连续或者长脉冲激光的热效应导致的材料碳化、加工精度差的问题，突破高精密加工应用的局限性。
图表8 毫秒激光（左）、飞秒激光（右）切割玻璃效果示意图
与纳秒及毫秒激光器相比，超快激光器虽然整体功率更低，但由于其直接作用于材料分子震动的时间尺度，加工精度大大提高。
图表9 飞秒 、皮秒、纳秒激光的加工效果
资料来源：IFSW，天惠投资整理
由此可见，超快激光器具有以下加工特点：
超精细。超快激光能够聚焦到超细微空间区域，同时具有极高峰值功率和极短的激光脉冲，加工时切面整齐、无热扩散、无微裂纹及冶金缺陷，加工过程中不会对所涉及的空间范围的周围材料造成影响，从而做到了加工的超精细。
冷加工。脉冲持续时间大于10ps的传统激光，与材料作用时，热过程将起到主要作用。脉冲持续时间小于10ps的超快激光，由于脉冲持续时间只有皮秒、飞秒量级，远小于材料中受激电子通过转移转化等形式的能量释放时间，能量来不及释放该脉冲已经结束，避免了能量的转移，转化以及热量的存在和热扩散，实现了真正意义上的激光“冷加工”。
范围广。除了前两个优势属性之外，超快激光几乎可以加工任何材料，并且具有精准的靶向定位的特点，下游的应用领域十分广泛。
（二）超快激光器的技术路线
激光器的核心技术是激光调控技术，进一步可分为激光调制技术和模式控制技术，其中调制技术可以实现高功率和超快激光输出，而模式控制技术可以保证在高功率激光输出的同时光束质量不会下降。与此同时，激光调控技术的实现必须以优质的核心器件为基础，核心器件性能的高低直接决定了可输出激光质量的上限，而所有核心器件中泵浦源和光纤又是最为关键的环节。激光调制技术和模式控制技术，以及泵浦源、光纤等核心器件制造能力为激光器产业的关键壁垒。
随着激光调制技术的提高，越来越多的企业实现了高功率光纤激光输出，但与此同时光束质量难以兼得的问题也逐渐凸显。为提高激光功率、抑制非线性效应，光纤的芯径尺寸相较以往有了较大增加，但功率的提高增强了非线性效应，光纤芯径的增大也直接导致原本的单模激光中混杂有许多其他模式的光束，最终导致光束质量下降。
无论是连续激光器还是脉冲激光器，光束质量和输出功率的兼顾都极为重要。为缩短激光脉冲，主要技术路线分为调Q技术和锁模技术，但是只有锁模技术能够实现超快激光输出。调Q技术通过调整激光器谐振腔内激光的震荡损耗来实现短脉冲高功率输出，但是极限脉冲仅为纳秒级。而锁模技术可以通过将不同模式激光进行相位锁定，产生干涉效应来实现皮秒、飞秒级超快激光输出。值得一提的是，调Q和锁模的主动模式通常技术难度更高，但是具有外部可调优势（通过外部电信号）；而被动模式主要是通过相关晶体的饱和吸收来调节震荡损耗，技术复杂性较低但具有一定成本优势。
图表10 激光调制技术路线
资料来源：公开资料，天惠投资整理
实现超快激光输出的同时必定会带来极高峰值功率，而高峰值功率会带来更强的多种非线性效应，如受激拉曼散射、受激布里渊散射等，使得激光光质受到较大影响。为解决高峰值功率带来的非线性效应，超快激光采用了“种子源+放大器”的MOPA结构，用低功率的种子源（小型激光器）输出高质量的锁模激光来保障光束质量，之后才用一级或多级放大器放大激光提高输出功率。目前来看，激光器的MOPA结构是解决超快激光兼具高峰值功率和高光束质量的最优解。
MOPA结构中锁模技术应用于种子源以获得高光质激光，而功率放大技术则分为直接放大和啁啾放大（CPA）两类。具体来说，直接放大技术更适用于固体放大器，因为光纤往往难以承受直接放大的高功率，易被损坏；而啁啾放大技术则包含了直接放大技术，需要先将种子光进行脉冲展宽降低峰值功率，然后多级放大激光功率，最后再压缩脉冲得到极高峰值功率的超快激光，有效降低了损伤放大器的风险，对固体放大和光纤放大均适用。
具体来说，纳秒激光器与皮秒激光的结构类似，种子源发射的光经由功率放大器放大后出光。不同的是皮秒激光器是纳秒激光器的迭代升级，并且皮秒激光器使用的是锁模技术，而纳秒激光器使用的是调Q技术。
图表11 纳秒/皮秒激光器结构
资料来源：基业长青，天惠投资整理
飞秒使用的是完全不同的技术路线，其技术难度随着脉冲时间缩短逐步上升。飞秒激光用到锁模和CPA技术，飞秒激光系统要用到加工精细的啁啾镜等光学元器件以及高功率抽运源，激光系统比较复杂。种子源发射的光经由脉冲展宽器展宽后，经过CPA功率放大器放大，最后经过脉冲压缩器压缩出光。
图表12 飞秒激光器技术原理（上）与结构（下）
资料来源：上海证券，基业长青，天惠投资整理
种子源部分是超快激光器的核心器件，决定了超快激光器的稳定性与出光质量。目前国内大部分超快激光器的企业都是外购国外的种子源，但锐科激光旗下国神光电自始以来都是自制超快种子源。
脉冲展宽器是将激光先展宽到皮秒与纳秒的级别，防止增益介质受损。目前全球能供应的啁啾光纤光栅只有加拿大的Teraxion。
放大模块是让激光在狭小空间（鞋盒大小）反复通过300米，每通过一次放大一次能量。难点在于解决散热的同时保证出光质量，该环节是最难的一个环节，同时也是技术路线最多的一个环节。
压缩光栅是将放大模块出来的光压缩到飞秒级别的光，目前能提供压缩光栅的仅有美国的Opti Grate和德国的AOS-FIBER。
图表13 飞秒激光器放大模板技术路线
资料来源：基业长青，天惠投资整理
（未完待续）
