飞秒激光在航空航天领域的应用

曹祥东

（武汉虹拓新技术有限责任公司董事长）

一、什么是飞秒激光

飞秒激光被誉为“最亮的光”“最快的刀”“最准的尺”，是脉冲时间极短、峰值功率极高的脉冲激光。

21世纪的极致科技是纳米和飞秒技术， 一个对应于空间尺度，一个对应于时间尺度。正如爱因斯坦的相对论发现时空是关联的，纳米和飞秒也是密不可分的。飞秒，是一个时间尺度，1fs是10-15s，即一千万亿分之一秒，大约是电子从一个原子运动到另一个原子的时间。

光在真空中的运动速度是300 nm/fs，微观现象尤其是纳米尺度下的物理现象基本上都是超快现象，如图1所示。超快现象的研究是新材料、新工艺的基础，对以微纳科技为核心的现代制造业具有重要意义。各种微观过程的时间尺度如图1所示。

飞秒激光是指持续时间是飞秒范围的脉冲式激光，如图2 所示。飞秒激光的核心指标及参数有中心波长，峰值功率（Ppeak），脉冲宽度（ΔT），脉冲重复频率（1/T），脉冲能量（E）和平均功率（Paverage）。这几个参数不是完全独立的，图2中的公式给出了这几个参数的关系。举例来说，一个平均功率1 W、重复频率1 Hz、脉冲宽度是100 fs的飞秒激光的脉冲能量是1 J，峰值功率是10 TW，相当于全球发电总功率。这个计算例子说明了飞秒激光的一个核心特点，极低的能量可以产生极高的峰值功率，聚焦后的飞秒激光可以产生极高的光强，超过原子内的电场强度，可以直接把物质瞬间电离成等离子体。

以上描述的微观现象基本上都是超快现象，伴随着各种声、光、电、磁、力学、化学、物理过程，飞秒激光脉冲极高的峰值功率这一特性使得飞秒激光具有其他激光不具备的特性。目前实验室能够获得的光强能够在真空中直接产生正负电子对，足够分解所有已知的原子，或产生激光热核反应。理论上飞秒激光能够产生的光强没有上限，在不远的将来有望取代投资巨大的回旋加速器。

飞秒激光技术已有40年的历史，获得了两次诺贝尔奖，是迄今为止精度最高的测量技术，能够拍摄分子运动的最快成像技术，在物理学、化学、材料、生物医学、光通信等科研领域中获得了广泛应用。随着飞秒激光技术的不断成熟和发展，飞秒激光技术逐步走出高端科研实验室，走向高端工业应用。图3列出了飞秒激光在视力矫正、癌症检测、3D纳米打印、芯片加工、显示屏、柔性电子、引擎发动机、集成电路修复、脑成像等战略前沿领域的应用情况，飞秒激光已成为未来先进装备、高端科学仪器不可或缺的支撑性技术。

二、飞秒激光的核心技术

（一）啁啾脉冲放大技术

由于飞秒激光的峰值功率非常高，无法直接对脉冲进行放大，主流的技术方案是先将飞秒脉冲进行展宽（如展宽到纳秒量级），再对展宽后的脉冲进行放大，最后对放大后的脉冲进行压缩，使其恢复到原来的飞秒量级，这就是啁啾脉冲放大技术（CPA）。典型的啁啾脉冲放大飞秒激光器结构如图4所示，其核心模块包括锁模振荡器（种子源）、脉冲展宽器、功率放大器和脉冲压缩器。

对应的核心技术为：锁模技术、放大技术、展宽压缩技术。

（1）锁模技术：主要包括主动锁模、被动锁模、同步锁模及碰撞锁模，其中常用的是主动锁模、被动锁模。主动锁模需要在激光腔内加入调制器，控制复杂；被动锁模结构简单，成本低廉，只需要在腔内加入一个吸收率和光强度相关的元件，选择性地放大高强度的激光，常见的有：可饱和吸收体（SESAM）、非线性偏振旋转（NPR）、克尔透镜等。其中商业应用最广泛的可饱和吸收体（SESAM），已被德国BATOP公司垄断。

（2）放大技术：按激光器增益介质划分，主要包括固体、液体和气体三类。其中固体放大常用晶体棒、碟片、板条等，光纤激光器归类为固体激光器，常用的增益介质包括大模场双包层掺杂光纤、光子晶体光纤等。

（3）展宽压缩技术：常用的有色散光纤、光栅对、棱镜对、光纤光栅、体光栅等。

（二）行业技术发展趋势

飞秒激光技术是目前的行业热点，国内外相关公司和机构都在该领域加大研发投入，一些国际知名的飞秒激光器公司积极调整其产品战略，加速布局超快激光应用领域，通过并购、重组、投资等方式获得飞秒激光核心技术。只有掌握飞秒激光的核心技术，才能有生存的筹码乃至制定行业规则的权利；没有核心技术，则将全方面受制于人。

从技术发展和行业需求的角度来看，未来飞秒激光器将朝着更高平均功率、更大脉冲能量、更短脉宽、更多波长选择，以及更加智能化的方向发展。在2017年中德智能制造产业化合作峰会上，德国弗劳恩霍夫研究所所长Reinhart Poprawe教授指出，飞秒激光技术是德国工业4.0计划的核心技术之一，并制定了未来飞秒激光器的发展路线和里程碑。图5展示了德国飞秒激光器的发展路线。

在“中国制造2025”国家战略背景下，传统制造业面临深度转型，无数新兴行业在提升效率的同时，也将转向附加值更高、技术壁垒更高的高端精密加工方向。而飞秒激光加工完全符合这一主旨，飞秒激光器及激光加工设备已经在高端制造领域崭露头角，并将在更多的领域展现出全新的应用前景。

飞秒激光器的应用正在大规模地从科研领域拓展到工业制造领域，飞秒激光器的技术也随着应用的改变出现了三大新趋势：一是以制造为核心的超快激光器，以大功率、大脉冲能量为主要指标；二是以信息、精密测量为核心应用的超小型化飞秒激光器；三是高效率、高稳定性的光纤飞秒激光器。

武汉虹拓新技术有限责任公司是国内最早从事光纤飞秒激光技术研发及应用开发的公司，经过10年的研发，拥有了锁模、非线性放大、封装等核心技术，在超小型化、超大功率全光纤相干合束方面处于世界领先水平。虹拓公司的飞秒激光器产品如图6所示。

三、飞秒激光应用领域

由于飞秒激光具有极短的脉冲持续时间和极高的峰值功率，能直接作用于原子和电子，飞秒激光微加工过程热影响极小，几乎不对周边材料造成损害，加工区域极其精确并具有高度可重复性。与长脉冲激光（如纳秒）相比，飞秒脉冲激光加工的边缘极其整齐和精确，并能克服热效应所带来的弊端，是一种真正的“冷”加工方式，被誉为“最快的刀”。飞秒激光的“冷加工”优势如图7所示。

目前飞秒激光已广泛应用于航空发动机喷油嘴钻孔、半导体晶圆切割、心血管支架切割、印刷电路板切割打孔、显示器玻璃切割打孔、触摸屏玻璃切割打孔等行业。作为目前关注的焦点之一，超快激光微加工技术的市场应用范围将逐渐扩大，巨大的市场潜力将逐渐显现出来。按应用领域进行分类，飞秒激光应用主要包括以下几方面。

（一） 精细加工

主要用于各种材料的精细加工。

（1）脆性材料。飞秒激光在脆性材料加工方面的应用如图8所示。

（2）柔性材料。飞秒激光在柔性材料加工方面的应用如图9所示。

（二）生物医疗

主要用于眼科、牙科、癌症诊断、医学成像等方面。飞秒激光用于生物医疗如图10所示。

（三）精密检测

主要用于太赫兹、激光雷达、频率梳等。

太赫兹（Terahertz，THz） 辐射是对位于某一个特定频段电磁辐射的统称，对应的频率在0.1～10 THz（1 THz=1012Hz）。近10年来，太赫兹技术的发展受到了世界各国的重视。太赫兹波在通信领域、成像领域、光谱分析领域中都具有很高的研究价值及广泛的应用前景。目前，无损检测技术的广泛应用已经对其提出了更高的要求，对于复合材料检测来说，许多常规的无损检测已经无法满足需求，并且常规检测方式也有诸多的限制。基于太赫兹波自身特点，其对目前应用较多的复合材料有着良好的透过性及成像效果，所以太赫兹波可以在无损检测领域发挥独特优势。太赫兹波在光谱上的位置如图11所示。

20世纪80年代以前，由于技术的限制，太赫兹波段的频谱利用率很低，这也限制了对其进行深入研究，故只有极少量的太赫兹技术和寥寥无几的应用，技术的限制导致在光谱上形成了“太赫兹空隙”。在近20年中，主要是得益于超快光电子技术、低尺度半导体技术和飞秒激光的发展，研究者研发出了优质的太赫兹源及相关的太赫兹探测设备，这也为太赫兹科学和技术的高速发展提供了条件基础。

太赫兹所处的波段使其具有多种独特的性质：（1）透视性。太赫兹辐射对于非极性的液体及多数介电材料都拥有很好的透过性，如普通的衣物、高分子复合材料、陶瓷等。基于太赫兹波的这一性质，可以利用太赫兹波穿透类似的物体，而且可以对物体内部进行成像。（2）安全性。与X射线等穿透性射线相比，太赫兹光子的能量要低得多，不会引发电离反应，因此对被测物体或人体更具安全性。（3）光谱分辨能力。太赫兹波段占据了较长的频率波段，在此波段许多分子会表现出非常强烈的色散和吸收特性，这就使得太赫兹波具有很强的光谱分辨能力。利用其对目标物进行成像时，系统可以分辨目标物的几何特性，甚至还能够辨别出目标物的结构成分。

目前最常用的太赫兹产生及检测手段是太赫兹时域光谱（Terahertz Time Domain Spectroscopy，THz-TDS）系统，其由飞秒激光器、太赫兹源、太赫兹探测器及延迟线组成。系统利用飞秒激光脉冲产生太赫兹脉冲，并探测被测样品的透射波或反射波，然后通过傅里叶变换获取探测信号的频谱，进而对测量样品进行鉴定。图12即是透射式THz-TDS系统示意图。

基于上述太赫兹波的性质，THz-TDS可以应用于无损检测，即在不破坏待检物完整性或者不影响待检对象使用性能的基础上，探测待检物内部存在的缺陷或者因待检物整体结构不正常而导致的相关物理变化，从而获取待检物的内部信息，对被检对象的性能进行评判及改进。在当代，复合材料经历了重大变革，现已在航空、风能、土木工程、海洋等多个领域被广泛应用，由于其高机械强度和低重量特性而成为金属、塑料和陶瓷等传统材料的替代品。然而，复合材料的制造是个复杂的多元过程，易产生多种类型的缺陷，使用过程中也会导致缺陷的产生，提供复合材料表面及内部信息的有效且可靠的无损检测技术是非常必要的。太赫兹无损检测技术起源于航天材料的检测，2003年，“哥伦比亚”号事故后，太赫兹无损检测首次被应用于航天泡沫材料的检测上，之后便被美国国家航空航天局（NASA）广泛应用到航天飞机绝热泡沫部分的检测中。事实证明，太赫兹无损检测在复合材料的检测中具有独特的优势，THz-TDS系统能够在无损检测领域发挥重要作用。

四、虹拓公司飞秒激光应用实例

（一）飞秒激光薄膜太阳能电池加工装备

钙钛矿薄膜太阳能电池制造是光伏产业新的发展方向，具有取代现有晶硅太阳能电池产业的潜力。图13是虹拓公司新开发的多波长飞秒激光钙钛矿薄膜太阳能电池精密加工装备。

该设备由飞秒激光器系统、三维运动控制系统、振镜扫描系统和视觉定位识别系统组成，首次将飞秒激光加工技术引入钙钛矿薄膜太阳能电池领域，具有如下突出优点。

（1）“冷加工”的技术优势。飞秒激光能在极短时间内聚集高脉冲能量，形成极高的峰值功率，其加工方式是一种“冷加工”，不会对加工区域周边材料产生熔化、开裂、汽化或者其他有害热效应，加工效果和质量极佳，能够在极微小的作用区域对金属、玻璃、陶瓷、塑料、聚合物等各种类型的材料进行穿孔、切割或表面蚀刻等精密微纳尺寸加工，具有其他加工工具无法比拟的优势。

（2）提高电池有效面积。钙钛矿薄膜太阳能电池过去一直采用印刷技术生产，受印刷精度的限制，组件的有效使用面积只有80%。飞秒激光技术能够对钙钛矿薄膜太阳能电池中厚度仅为几十纳米的各功能层进行选择性剥离和去除，使组件的有效使用面积提高至95%以上。

（3）降低能耗和生产时间。使用飞秒激光技术可以有选择性地只对所需要的功能层进行加工，从而降低能耗和缩短生产时间。使用飞秒激光制造技术之后，钙钛矿薄膜太阳能电池的生产能耗有望降低30%，生产周期由目前的数小时缩短至数十分钟。

（4）集成多种加工功能。该设备可实现飞秒/皮秒加工模式切换，并具备多波长切换功能，可扩展到多种材料的加工应用，如金属、陶瓷、玻璃、塑料等材料的划线、切割、打孔及复杂图案化加工。

武汉理工大学的科研人员利用虹拓飞秒激光钙钛矿薄膜太阳能电池精密加工设备，制成的5 cm×5 cm塑料基板柔性钙钛矿太阳能电池组件，于2017年8月8日通过国家光伏质量监督检验中心第三方认证，获得了组件转换效率11.4%的结果，远超日本东芝公司于2017年9月25日宣布的5 cm×5 cm柔性钙钛矿太阳能电池组件转换效率10.5%的世界纪录。

制备的10 cm×10 cm玻璃基板电池组件效率为13.98%，居国际同类产品第三方论证效率首位。图14及图15显示的是电池样品和加工效果，图16显示的是用飞秒激光在锂电池材料表面形成三维微纳结构，大幅度提高表面润湿速度，降低晶刺形成，从而延长锂电池使用寿命。

（二）激光清洗机

超快激光清洗产品的产生是为了满足工业激光清洗领域的重大需求，取代传统清洗装备，消除传统清洗装备带来的高能耗、高污染、高成本等弊端。迎合国家绿色装备制造的理念，将工业清洗装备引入清洁及可持续发展制造技术领域，实现工业清洗装备轻量化、精密化、绿色化。

与传统的机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗、高频超声清洗等传统清洗方法相比，激光清洗具有明显的优点，如图17所示。

（1）激光清洗是一种“绿色”的清洗方法，不需使用任何化学药剂和清洗液，清洗下来的废料基本上都是固体粉末，体积小，易于存放，可回收，可以轻易解决化学清洗带来的环境污染问题。

（2）传统的清洗方法往往是接触式清洗，对清洗物体表面有机械作用力，存在损伤物体的表面或者清洗的介质附着于被清洗物体的表面无法去除，产生二次污染等问题，激光清洗的无研磨和非接触性使这些问题迎刃而解。

（3）激光可以通过光纤传输，与机器手和机器人相配合，方便实现远距离操作，能清洗传统方法不易达到的部位，在一些危险的场所使用激光清洗设备可以确保人员的安全。

（4）激光清洗能够清除各种材料表面的各种类型的污染物，达到常规清洗无法达到的清洁度，而且还可以在不损伤材料表面情况下有选择性地清洗材料表面的污染物。

（5）激光清洗效率高，节省时间。

而超快激光更具有两大优势：

（1）与连续激光和纳秒激光相比，超快激光是“冷”激光，加工过程中几乎没有热效应。

（2）加工部位能获得更“精细”的加工效果。

图18及图19是常见的两种激光清洗机，手持式清洗机和机器人式清洗机，可在不同的场景应用。

五、飞秒激光在航空航天领域的应用

前面提到的飞秒激光的很多应用都适用于航天航空领域，这里简要介绍一下几个特别能够体现飞秒激光特性在航空航天领域应用的例子。

（一）引擎喷油嘴打孔

传统的微孔加工多用电火花，但对于孔径小于200 µm的微孔，电火花的加工精度受到限制。近几年，德国开发出了飞秒微孔加工技术，能够精密加工100 µm以下的微孔。图20展示了引擎喷油嘴打孔的情况。

（二）飞秒激光超滑表面加工

图21是利用飞秒激光在气缸内壁加工微槽用于储油，进而大幅度降低摩擦力，延长零部件的寿命,同时还可降低发热、磨损及噪声。

（三）发动机叶片斜孔加工

飞机发动机叶片有大量的斜孔，加工难度大，效率低下。用飞秒激光进行斜孔加工也是近年各国大力投入研究的新型加工技术，图22展示了一个经激光斜孔加工后的发动机叶片。

（四）航空滤网超快激光清洗

航空过滤片超快激光清洗效果达到新产品的90%的透过率，而传统的超声清洗只能达到60%的透过率，图23展示了经飞秒激光清洗的航空滤网。

六、总结与展望

没有制造就没有文明，没有工具就没有制造，飞秒激光是21世纪新型的制造工具，具有材料无关性、高精度（100 nm）、无需模具等三大制造特性，是数字光制造的核心技术。同时，该技术具备无接触、无撞击、一次加工到位的优势，是未来先进制造的理想工具。目前世界各国纷纷大力投入研究新一代的面向先进制造的飞秒激光技术，生产具有超大功率、超大脉冲能量，以及超高重复频率的制造级飞秒激光器。有专家将飞秒激光技术称之为“根技术”，因为该技术是能够支撑大规模工业体系“根产业”的颠覆性技术。抢占核心制造技术的制高点，实现“换道超车”，飞秒激光技术前景广阔。