原創(chuàng) 中科紅塔資本 激光薈萃

南京先進(jìn)激光技術(shù)研究院

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所

 作者：趙全忠

市場風(fēng)云涌

超快激光微加工是目前激光先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)公認(rèn)的熱點(diǎn)。

專門研究光子與激光行業(yè)發(fā)展趨勢的Strategies Unlimited公司預(yù)測，到2019年超快激光器市場總額將超過14億美元，超快激光市場增長速度是整個(gè)激光市場增長速度的兩倍。

其中飛秒激光器增長速率大于皮秒激光器，兩者之間的差價(jià)正在縮小，飛秒激光將應(yīng)用在之前考慮成本因素皮秒激光應(yīng)用過的領(lǐng)域里，在成本變化不大的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高加工的質(zhì)量。

從產(chǎn)業(yè)鏈延伸角度，超快激光產(chǎn)業(yè)應(yīng)該這樣看，由10億元產(chǎn)值的激光器，挑動(dòng)50億元產(chǎn)值的激光加工系統(tǒng)，再挑動(dòng)500億元產(chǎn)值的應(yīng)用領(lǐng)域，因此到2020年超快激光產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模可達(dá)到700億美元以上的規(guī)模。

早在2010年，美國Raydiance公司（2015年被Coherent收購）總裁Scott Davidson預(yù)測在10年內(nèi)，超快激光技術(shù)將擁有超過1000億美元的市場，如今他的預(yù)測正在成為現(xiàn)實(shí)。

國內(nèi)外從事超快激光器件制造以及超快激光微加工系統(tǒng)的公司如雨后春筍般建立，紛紛搶占超快激光微加工這一新興市場。

雖然國內(nèi)外研發(fā)超快激光器件的公司已有多家，但正如Strategies Unlimited首席分析師Tom Hausken博士認(rèn)為“…更多的價(jià)值，即顯著的收入和利潤，不是來自激光器，而是圍繞激光器建立起來的系統(tǒng)。因此，這里存在著很多機(jī)會(huì)…”。

目前，圍繞著超快激光產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)外并購迭起，各大激光以及光電產(chǎn)業(yè)巨頭紛紛布局，圍繞超快激光產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)實(shí)行并購，最近五年近二十起并購已經(jīng)實(shí)施，你方唱罷我登場，未來幾年，人們還將看到更多的并購。

產(chǎn)研態(tài)正酣

經(jīng)過近30年的研發(fā)，超快激光的非熱、冷加工屬性開始為人們所鐘愛，適用于一些其他加工方法無法實(shí)現(xiàn)的高精度、復(fù)雜形狀元器件的加工。

對于超硬材料、易碎材料、高熔點(diǎn)材料、易爆材料的加工，更具有其他加工方法所無法企及的優(yōu)勢。

超快激光微加工的主要思想是利用超快激光脈沖聚焦的“焦點(diǎn)”與物質(zhì)發(fā)生非線性相互作用，最小可在亞波長至納米的尺度誘導(dǎo)光物理、光化學(xué)變化而使局部材料特性發(fā)生改變，通過計(jì)算機(jī)圖案生成和“焦點(diǎn)”掃描、多光束干涉以及自相干等方式，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)、微器件制備。

 

圖1 超快激光切割碳化硅（左）鉆孔柔性陶瓷（中）切割藍(lán)寶石（右）

超快激光微加工優(yōu)點(diǎn)如下

（1）適用材料廣譜、尤其難加工材料。超快激光束的光子能量在時(shí)間上高度集中，被聚焦后的功率密度能達(dá)到很高的數(shù)值，使用普通的商用超快激光就可以輕而易舉地誘導(dǎo)幾乎任何材料的分子價(jià)鍵斷裂和原子電離，由此造成的相變等不可逆轉(zhuǎn)的物態(tài)、物性變化為超快激光材料加工提供了物理基礎(chǔ)。

由于強(qiáng)度高，超快激光加工具有材料廣譜性，對象包括金剛石、藍(lán)寶石、玻璃、半導(dǎo)體、金屬、陶瓷和高分子等各種材料。

（2）加工精度高，適用于三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)制備。由于非線性吸收過程如多光子吸收的吸收截面非常小，光激發(fā)被拘囿在焦點(diǎn)附近極小的區(qū)域內(nèi)；

另外，由于激發(fā)過程超快，避免了熱弛豫，從而使超快激發(fā)成為一個(gè)準(zhǔn)絕熱過程，而且光作為一種電磁波不同于實(shí)物粒子波，可以穿透透明材料，從其內(nèi)部進(jìn)行加工。

這些保證了超快激光加工具有很高的三維加工分辨率，甚至超越光學(xué)衍射極限，達(dá)到納米量級(jí)。

 

圖2 超快激光在不同材料上加工的微納米結(jié)構(gòu)

（3）非掩模技術(shù)，適合非平面加工。超快激光微加工通過計(jì)算機(jī)程序控制，按照待加工結(jié)構(gòu)的圖樣進(jìn)行三維掃描來實(shí)現(xiàn)。

圖樣定義不需要掩模版輔助，是一種非掩模微納米加工技術(shù)。脫離了掩模版的束縛，激光焦點(diǎn)可以沿光學(xué)表面進(jìn)行保形掃描，在非平表面襯底上制備微結(jié)構(gòu)。

目前，超快激光微加工已經(jīng)在消費(fèi)電子、生物醫(yī)療、航空航天、信息技術(shù)、新能源、新材料等產(chǎn)業(yè)得到應(yīng)用。

加工工藝包括鉆孔、刻線、劃槽、表面紋理化、表面改性、內(nèi)部改性、焊接、修整、清洗等。

圍繞著這些加工工藝，超快激光產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)以及科研院所正在研發(fā)性能更加穩(wěn)定、成本更加低廉的超快激光器件、光束時(shí)空整形傳輸技術(shù)、結(jié)合材料性能的最優(yōu)加工該工藝以及與智能制造結(jié)合的控制技術(shù)等。

 

圖3  超快激光微加工產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域

誰窺此中道

讓時(shí)光回溯到1980-1990年代，那時(shí)各國科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室里精心地設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)著超快激光傳輸、聚焦的光路，嘗試著對各種材料進(jìn)行輻照，以期待有所發(fā)現(xiàn)的時(shí)候（他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了大量異于常態(tài)的現(xiàn)象），他們不會(huì)想到二三十年后超快激光已經(jīng)走進(jìn)了消費(fèi)電子產(chǎn)品工廠的加工車間，走進(jìn)了進(jìn)行精準(zhǔn)眼科手術(shù)的醫(yī)院，走進(jìn)了高精尖元器件制造的關(guān)鍵一環(huán)。

如今，世界上很多人開始依賴超快激光，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)許多常規(guī)手段無法企及的工作。

雖然這邊從事超快激光與材料相互作用的科學(xué)先驅(qū)們?nèi)栽诎V迷于一些尚不確定的反應(yīng)機(jī)理及物性變化，那邊企業(yè)家們已迫不及待的希望超快激光能夠給他們創(chuàng)造新的高附加價(jià)值；

工程師們熱情地用他們手中的利器對工件進(jìn)行精雕細(xì)琢，希望將功能發(fā)揮到極致；

投資商們嗅覺敏銳，已知春江水暖，翹首以盼著這一新興技術(shù)所能撬動(dòng)的資本收益。

當(dāng)為冷眼觀

雖然超快激光微加工具有無限美好的發(fā)展情景，但應(yīng)該看到，目前成熟的超快激光市場應(yīng)用領(lǐng)域還十分有限，隨著大量的公司涌入以及資本的追捧，必將造成初期的產(chǎn)業(yè)過熱，也會(huì)迎來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸期甚至短時(shí)的低潮。

 

圖4  超快激光在玻璃內(nèi)部制備的熒光二維碼

但在不久的將來，伴隨著更多應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)，更加廣闊的市場必將涌現(xiàn)，超快激光微加工也將長期蓬勃發(fā)展。