文/陸俊，蘇州中輝激光科技有限公司技術(shù)總監(jiān)

碟片激光技術(shù)（Disk Laser Technology）是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種高性能固態(tài)激光技術(shù)，以其獨(dú)特的熱管理設(shè)計(jì)、高光束質(zhì)量和功率可擴(kuò)展性，在工業(yè)制造、醫(yī)療及科研領(lǐng)域占據(jù)重要地位。本文將從技術(shù)原理、發(fā)展歷程、應(yīng)用場(chǎng)景及未來趨勢(shì)等方面，系統(tǒng)綜述碟片激光技術(shù)的研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀。

技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

碟片激光器的核心創(chuàng)新在于其增益介質(zhì)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)固態(tài)激光器（如棒狀或板條激光器）因熱效應(yīng)致光束畸變，碟片激光器則采用100μm量級(jí)厚度的薄盤狀晶體（如摻鐿釔鋁石榴石 Yb:YAG），通過多通泵浦結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高效散熱與高功率輸出。這種設(shè)計(jì)讓碟片激光器在千瓦級(jí)功率下，仍能保持近衍射極限的光束質(zhì)量（M²≈1），成為高精度加工的理想光源。碟片激光器在多方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在散熱、功率、效率、光束質(zhì)量等方面，這使得其在工業(yè)加工和科研領(lǐng)域備受青睞。

（1）卓越的散熱性能

獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：碟片激光器的增益介質(zhì)采用厚度僅為 100~300μm的薄盤狀晶體，如 Yb:YAG。這種薄盤結(jié)構(gòu)極大地增加了散熱表面積，使得熱量能夠更快速地散發(fā)出去。同時(shí)，薄盤通過背面水冷散熱，熱梯度小，能有效避免熱透鏡效應(yīng)，保證了激光器在高功率運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和光束質(zhì)量。

高效的軸向散熱：薄盤通過高導(dǎo)熱襯底，如金剛石或銅鎢合金，與冷卻系統(tǒng)直接接觸，熱量可沿軸向均勻擴(kuò)散。這種軸向散熱設(shè)計(jì)避免了橫向溫度梯度的產(chǎn)生，進(jìn)一步減少了熱透鏡效應(yīng)等熱致光學(xué)畸變問題，確保了激光器的性能不受熱量積累的影響。

（2）高功率輸出能力

多碟片組合：碟片激光器可以通過多碟片串聯(lián)或并聯(lián)的方式，輕松實(shí)現(xiàn)功率的擴(kuò)展。從千瓦級(jí)到萬瓦級(jí)的輸出能力，使其能夠滿足各種不同工業(yè)應(yīng)用和科研需求。例如在工業(yè)加工中，高功率碟片激光器可用于厚板切割、深熔焊接等對(duì)能量要求較高的工藝。

穩(wěn)定的高功率運(yùn)行：得益于良好的散熱性能和優(yōu)化的光學(xué)結(jié)構(gòu)，碟片激光器在高功率輸出時(shí)，能夠保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。相比其他類型的激光器，碟片激光器在長(zhǎng)時(shí)間高功率運(yùn)行過程中，能夠更有效地避免因熱積累等問題導(dǎo)致的功率波動(dòng)和性能下降，保證了加工質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

（3）高光束質(zhì)量

接近衍射極限：碟片激光器能夠保持近衍射極限的光束質(zhì)量，通常其光束質(zhì)量因子 M²≈1 或 M²≈1.1。這意味著激光束具有高度的方向性和聚焦能力，能夠在目標(biāo)上產(chǎn)生極小的光斑尺寸，從而實(shí)現(xiàn)高精度的加工和測(cè)量。在科研領(lǐng)域，高光束質(zhì)量的激光對(duì)于精密光譜學(xué)、量子光學(xué)等實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要，能夠提高實(shí)驗(yàn)的分辨率和準(zhǔn)確性。

低光學(xué)畸變：薄盤狀增益介質(zhì)和優(yōu)化的光學(xué)腔設(shè)計(jì)，使得碟片激光器在激光產(chǎn)生和傳輸過程中，產(chǎn)生的光學(xué)畸變極小。這保證了激光束在傳播過程中的形狀和質(zhì)量，使其能夠在長(zhǎng)距離傳輸和高能量密度應(yīng)用中保持良好的性能。

（4）高電光轉(zhuǎn)換效率

高效泵浦結(jié)構(gòu)：碟片激光器采用多通泵浦結(jié)構(gòu)，泵浦光多次穿過碟片，通常為16-32次，顯著提高了泵浦效率。這使得輸入的電能能夠更有效地轉(zhuǎn)化為激光能量，其電光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)固體激光器的10%-20%和CO₂激光器的約10%。

減少能量損耗：碟片背面鍍有高反射膜層，形成諧振腔，減少了腔內(nèi)損耗。同時(shí)，優(yōu)化的光學(xué)元件和光路設(shè)計(jì)，也進(jìn)一步降低了激光傳輸過程中的能量損失，提高了整體的電光轉(zhuǎn)換效率，降低了運(yùn)行成本，提高了能源利用效率。

（5）增益介質(zhì)長(zhǎng)壽命

低應(yīng)力設(shè)計(jì)：由于碟片激光器的薄盤結(jié)構(gòu)能夠有效降低熱應(yīng)力，增益介質(zhì)在長(zhǎng)期工作過程中受到的熱損傷較小，從而延長(zhǎng)了碟片的使用壽命。碟片的壽命通�？蛇_(dá)數(shù)萬小時(shí)，相比其他一些激光器，大大減少了維護(hù)和更換部件的頻率和成本。

穩(wěn)定光學(xué)性能：長(zhǎng)壽命的增益介質(zhì)能夠保證激光器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中，保持穩(wěn)定的光學(xué)性能。這對(duì)于需要長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的工業(yè)生產(chǎn)和科研實(shí)驗(yàn)來說，具有重要意義，能夠減少因激光器性能變化而帶來的生產(chǎn)質(zhì)量波動(dòng)和實(shí)驗(yàn)誤差。

（6）波長(zhǎng)可擴(kuò)展性

非線性晶體應(yīng)用：碟片激光器可以通過采用非線性晶體等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的擴(kuò)展。能夠產(chǎn)生515nm 綠光、343nm紫外等多種波長(zhǎng)的激光輸出，滿足了不同領(lǐng)域?qū)μ囟úㄩL(zhǎng)激光的需求。

多領(lǐng)域應(yīng)用支持：不同波長(zhǎng)的激光在各個(gè)領(lǐng)域有著獨(dú)特的應(yīng)用。例如，綠光激光在水下通信、生物成像等領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，紫外激光在微電子制造中的光刻工藝、材料表面處理等方面有重要應(yīng)用。

圖1所示為中輝激光推出的典型碟片放大模塊，最高可以獲得超過3kW儲(chǔ)能。

圖1：碟片放大模塊。

發(fā)展歷程與技術(shù)突破

碟片激光技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)充滿創(chuàng)新與突破的過程，以下是其詳細(xì)發(fā)展歷程。

（1）早期探索與概念形成

20 世紀(jì)80年代末至90年代初，隨著工業(yè)制造和科學(xué)研究對(duì)高功率、高質(zhì)量激光光源需求的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的固體激光器如棒狀激光器和板條激光器，由于熱效應(yīng)問題，在功率提升和光束質(zhì)量保持方面遇到了瓶頸。科研人員開始尋求新的技術(shù)方案來解決這一難題。

1994 年，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的 Adolf Giesen 團(tuán)隊(duì)首次提出了 Yb:YAG 碟片激光器的概念，其核心是采用厚度僅為0.1~1mm的薄盤狀Yb:YAG晶體作為增益介質(zhì)，這種獨(dú)特的薄盤結(jié)構(gòu)為解決散熱問題提供了新的思路。

（2）概念提出與實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段（1990 - 2000年）

技術(shù)原理驗(yàn)證：在這一階段，研究人員主要致力于從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面驗(yàn)證碟片激光器概念的可行性。通過對(duì)薄盤狀增益介質(zhì)的熱特性、光學(xué)特性等進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)并搭建了基于碟片結(jié)構(gòu)的激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

功率突破：實(shí)現(xiàn)了百瓦級(jí)的激光輸出，證明了碟片激光器在解決散熱問題后，能夠在一定程度上提高激光輸出功率和光束質(zhì)量。但此階段的碟片激光器仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在穩(wěn)定性、可靠性以及成本等方面還存在諸多問題，距離商業(yè)化應(yīng)用還有較長(zhǎng)的路要走。

（3）工業(yè)化應(yīng)用與功率提升階段（2000 - 2010年）

商業(yè)化開端：2000年代初，德國(guó)Trumpf公司推出了首臺(tái)商用碟片激光器TruDisk系列，標(biāo)志著碟片激光技術(shù)開始走向工業(yè)化應(yīng)用。該系列產(chǎn)品功率突破千瓦級(jí)，憑借其高功率、高光束質(zhì)量和較好的穩(wěn)定性，迅速在汽車制造行業(yè)的車身焊接等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，大眾、寶馬等汽車品牌都采用了TruDisk系列碟片激光器進(jìn)行車身焊接，大大提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)與發(fā)展：同期，美國(guó)相干公司（Coherent）和日本松下（Panasonic）等國(guó)際知名企業(yè)也加入到碟片激光器的研發(fā)行列，形成了國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)與合作的局面。各企業(yè)通過不斷優(yōu)化技術(shù)和工藝，推動(dòng)碟片激光器的功率向萬瓦級(jí)邁進(jìn)，進(jìn)一步拓展了碟片激光器在工業(yè)加工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，如在厚板切割、表面處理等方面也展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

（4）多波長(zhǎng)擴(kuò)展與超快技術(shù)融合階段（2010年至今）

波長(zhǎng)擴(kuò)展：近年來，隨著材料科學(xué)和非線性光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，碟片激光器通過采用非線性晶體等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)的擴(kuò)展。成功產(chǎn)生了515nm綠光、343nm紫外等多種波長(zhǎng)的激光輸出，滿足了微電子制造、醫(yī)療美容、生物成像等對(duì)特定波長(zhǎng)激光有需求的領(lǐng)域。例如，在微電子制造中，紫外波長(zhǎng)的碟片激光器可用于高精度的光刻工藝；在醫(yī)療領(lǐng)域，綠光和紫外光可用于皮膚病治療、眼科手術(shù)等。

超快技術(shù)融合：碟片激光器還與超快激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了深度融合，作為超快激光放大器（如飛秒脈沖）的泵浦源，為阿秒科學(xué)和強(qiáng)場(chǎng)物理等前沿科學(xué)研究提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。在阿秒科學(xué)研究中，碟片激光器驅(qū)動(dòng)的超快激光系統(tǒng)能夠產(chǎn)生阿秒級(jí)的光脈沖，使科學(xué)家能夠直接觀測(cè)和操控原子和分子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)，為探索微觀世界的物理規(guī)律提供了新的手段；在強(qiáng)場(chǎng)物理領(lǐng)域，高功率碟片激光器產(chǎn)生的強(qiáng)激光場(chǎng)可以與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生高次諧波、相對(duì)論效應(yīng)等一系列新奇的物理現(xiàn)象，推動(dòng)了強(qiáng)場(chǎng)物理學(xué)科的發(fā)展。

未來，碟片激光技術(shù)有望在進(jìn)一步提高功率、優(yōu)化光束質(zhì)量、降低成本、拓展應(yīng)用領(lǐng)域等方面取得新的突破，與其他新興技術(shù)的融合也將為其發(fā)展帶來更多的可能性。中輝激光作為國(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)碟片激光器供應(yīng)商，陸續(xù)推出了功率100~1000W，脈寬800fs~20ns，光束質(zhì)量M2從1.1到25的系列脈沖激光產(chǎn)品。2019年完成工業(yè)化碟片增益模塊的研制；2020年國(guó)內(nèi)率先完成符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的碟片激光器量產(chǎn)機(jī)型；2022年推出工業(yè)級(jí)150瓦系列碟片激光器產(chǎn)品；2024年初推出工業(yè)級(jí)300W系列碟片激光器產(chǎn)品；同年9月推出工業(yè)級(jí)1000W系列碟片激光器產(chǎn)品。該系列激光產(chǎn)品具備三大特色：脈沖從數(shù)百飛秒到數(shù)十納秒可定制；光束質(zhì)量M2從1.1到20可定制；功率從百瓦到數(shù)千瓦可定制。

圖2：中輝激光不同功率的激光器產(chǎn)品。

圖3：中輝激光激光器脈寬輸出能力。

碟片激光器的應(yīng)用

（1）納秒級(jí)碟片激光器（1~1000ns）

技術(shù)特點(diǎn)：脈沖能量隨脈寬延長(zhǎng)而增加，1000ns 脈寬下可達(dá)數(shù)百焦耳；1~100ns以快速熱沖擊為主，100~1000ns為漸進(jìn)式熱傳導(dǎo)，典型功率1~10kW（工業(yè)級(jí)）。

分段應(yīng)用場(chǎng)景：

1~100ns：用于高精度切割/標(biāo)記，如汽車電池極耳切割，100ns脈寬切口無毛刺。

100~500ns：適用于厚板焊接/熔覆，核電站不銹鋼管道焊接，300ns脈寬熔深達(dá)8mm。

500~1000ns：用于大體積材料處理，礦山機(jī)械齒板表面硬化，800ns脈寬硬化層厚度1.2mm。

新增應(yīng)用：超厚金屬鉆孔，石油鉆桿深孔加工；高分子材料改性，輪胎模具表面紋理加工；航空航天涂層清除，飛機(jī)蒙皮聚氨酯涂層剝離。

（2）皮秒級(jí)碟片激光器（1~1000ps）

技術(shù)特點(diǎn)：1~100ps 實(shí)現(xiàn)“冷加工”，100~1000ps熱影響區(qū)逐漸增大；1ps 脈寬下峰值功率可達(dá)10GW級(jí)，1000ps降至100MW級(jí)，重復(fù)頻率1~10MHz。

分段應(yīng)用場(chǎng)景：

1~10ps：用于脆性材料切割，手機(jī)玻璃蓋板異形切割，5ps 脈寬崩邊 < 2μm。

10~500ps：適用于薄膜加工/打標(biāo)，太陽能背板膜刻蝕，200ps 脈寬線寬15μm。

500~1000ps：用于中等精度焊接，精密傳感器封裝焊接，800ps脈寬熱影響區(qū)50μm。

新增應(yīng)用：3D玻璃成型，車載曲面觸控屏熱彎模具加工；多層PCB 微導(dǎo)通孔，5G基站電路板通孔加工；生物組織消融，牙科種植體表面活化。

（3）飛秒級(jí)碟片激光器（1~1000fs）

技術(shù)特點(diǎn)：<100fs主導(dǎo)非線性電離，100~1000fs 熱弛豫效應(yīng)增強(qiáng)；1fs脈寬對(duì)應(yīng)0.3μm空間分辨率，近衍射極限；通過OPO可覆蓋 UV - THz波段。

分段應(yīng)用場(chǎng)景：

1~100 fs：用于量子材料制備，拓?fù)浣^緣體表面態(tài)調(diào)控，50fs 脈寬，缺陷密度 < 10⁸/cm²。

100~500 fs：適用于超精密鉆孔，噴墨打印機(jī)噴嘴加工，300fs脈寬，孔徑5μm±0.1μm。

500~1000 fs：用于透明材料改性，VR透鏡波導(dǎo)結(jié)構(gòu)刻寫，800fs脈寬，折射率變化Δn = 0.01。

新增應(yīng)用：太赫茲波產(chǎn)生，安檢成像系統(tǒng)光源；鈣鈦礦薄膜劃線，光伏組件P1/P2/P3層加工；細(xì)胞級(jí)手術(shù)，神經(jīng)元突觸精準(zhǔn)切斷。

未來應(yīng)用

激光剝離（LLO）

Micro LED制造：206nm深紫外：直接解離GaN/藍(lán)寶石界面，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)平整剝離（粗糙度<2nm）；515nm綠光：通過多光子吸收處理透明藍(lán)寶石，良率達(dá)99.5%。

柔性顯示：257nm紫外：剝離聚酰亞胺（PI）基板，速度120mm/s（零碳化）；1030nm紅外：清除硅基臨時(shí)鍵合膠層，效率提升3倍。

技術(shù)亮點(diǎn)：多波長(zhǎng)協(xié)同（如1030nm預(yù)熱+206nm解離）降低熱應(yīng)力70%。

激光退火（LA）

半導(dǎo)體制造：515nm綠光：LTPS晶粒尺寸調(diào)控（50~300nm），用于OLED背板；343nm紫外：修復(fù)MoS₂硫空位，缺陷密度降至10¹⁰/cm²。

先進(jìn)芯片：257nm深紫外：鈣鈦礦薄膜退火，效率25.5%（抑制Pb⁰缺陷）；1030+515nm雙波長(zhǎng)：3 nm FinFET摻雜活化率>99.9%。

技術(shù)亮點(diǎn)：超快退火（500fs）實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦相變，載流子遷移率提升30%。

脈沖激光沉積（PLD）

超導(dǎo)材料：257nm紫外：沉積YBCO薄膜，臨界電流密度>5MA/cm²（77 K）；206nm深紫外：Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ₓ單原子層外延（誤差<±0.2 Å）。

復(fù)合薄膜：1030nm紅外+515nm綠光：制備DLC-MoS₂超潤(rùn)滑涂層（摩擦系數(shù)<0.05）；三波長(zhǎng)協(xié)同（1030/515/343nm）：一步沉積透明導(dǎo)電疊層薄膜（透光率>92%）。

技術(shù)亮點(diǎn)：MHz級(jí)高重頻沉積（AlN薄膜速率10μm/h），適配量子材料制備。

圖4：激光剝離原理圖。

圖5：激光退火原理圖。

圖6：脈沖激光沉積原理與系統(tǒng)：（a）PLD原理圖；（b）PLD系統(tǒng)。

技術(shù)挑戰(zhàn)與未來趨勢(shì)

盡管碟片激光技術(shù)已趨成熟，但仍面臨以下挑戰(zhàn)：

成本競(jìng)爭(zhēng)：光纖、塊狀激光器憑借更低成本和模塊化設(shè)計(jì)，在中低功率市場(chǎng)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

熱管理極限：功率超過20 kW時(shí)，碟片邊緣熱應(yīng)力可能導(dǎo)致晶體開裂，需開發(fā)新型復(fù)合材料（如Yb:CALGO）。

能量極限：獲得焦耳量級(jí)超快或納秒激光脈沖輸出同時(shí)，保證激光平均功率達(dá)到千瓦量級(jí)。

波長(zhǎng)靈活性：現(xiàn)有波長(zhǎng)擴(kuò)展依賴非線性晶體，效率損失較大，亟待開發(fā)直接發(fā)射多波長(zhǎng)碟片。