文/陸俊，蘇州中輝激光科技有限公司技術總監(jiān)

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

技術原理與結構特點

碟片激光器的核心創(chuàng)新在于其增益介質(zhì)設計。傳統(tǒng)固態(tài)激光器（如棒狀或板條激光器）因熱效應致光束畸變，碟片激光器則采用100μm量級厚度的薄盤狀晶體（如摻鐿釔鋁石榴石 Yb:YAG），通過多通泵浦結構優(yōu)化實現(xiàn)高效散熱與高功率輸出。這種設計讓碟片激光器在千瓦級功率下，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特優(yōu)勢，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)加工和科研領域備受青睞。

（1）卓越的散熱性能

獨特的結構設計：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。這種薄盤結構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，薄盤通過背面水冷散熱，熱梯度小，能有效避免熱透鏡效應，保證了激光器在高功率運行時的穩(wěn)定性和光束質(zhì)量。

高效的軸向散熱：薄盤通過高導熱襯底，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散。這種軸向散熱設計避免了橫向溫度梯度的產(chǎn)生，進一步減少了熱透鏡效應等熱致光學畸變問題，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，輕松實現(xiàn)功率的擴展。從千瓦級到萬瓦級的輸出能力，使其能夠滿足各種不同工業(yè)應用和科研需求。例如在工業(yè)加工中，高功率碟片激光器可用于厚板切割、深熔焊接等對能量要求較高的工藝。

穩(wěn)定的高功率運行：得益于良好的散熱性能和優(yōu)化的光學結構，碟片激光器在高功率輸出時，能夠保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。相比其他類型的激光器，碟片激光器在長時間高功率運行過程中，能夠更有效地避免因熱積累等問題導致的功率波動和性能下降，保證了加工質(zhì)量和實驗結果的可靠性。

（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，能夠在目標上產(chǎn)生極小的光斑尺寸，從而實現(xiàn)高精度的加工和測量。在科研領域，高光束質(zhì)量的激光對于精密光譜學、量子光學等實驗至關重要，能夠提高實驗的分辨率和準確性。

低光學畸變：薄盤狀增益介質(zhì)和優(yōu)化的光學腔設計，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，使其能夠在長距離傳輸和高能量密度應用中保持良好的性能。

（4）高電光轉換效率

高效泵浦結構：碟片激光器采用多通泵浦結構，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化為激光能量，其電光轉換效率可達30%以上，遠高于傳統(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，優(yōu)化的光學元件和光路設計，也進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換效率，降低了運行成本，提高了能源利用效率。

（5）增益介質(zhì)長壽命

低應力設計：由于碟片激光器的薄盤結構能夠有效降低熱應力，增益介質(zhì)在長期工作過程中受到的熱損傷較小，從而延長了碟片的使用壽命。碟片的壽命通常可達數(shù)萬小時，相比其他一些激光器，大大減少了維護和更換部件的頻率和成本。

穩(wěn)定光學性能：長壽命的增益介質(zhì)能夠保證激光器在長時間運行過程中，保持穩(wěn)定的光學性能。這對于需要長期穩(wěn)定工作的工業(yè)生產(chǎn)和科研實驗來說，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)量波動和實驗誤差。

（6）波長可擴展性

非線性晶體應用：碟片激光器可以通過采用非線性晶體等技術，實現(xiàn)波長的擴展。能夠產(chǎn)生515nm 綠光、343nm紫外等多種波長的激光輸出，滿足了不同領域對特定波長激光的需求。

多領域應用支持：不同波長的激光在各個領域有著獨特的應用。例如，綠光激光在水下通信、生物成像等領域具有優(yōu)勢，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儲能。

圖1：碟片放大模塊。

發(fā)展歷程與技術突破

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

（1）早期探索與概念形成

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

1994 年，德國斯圖加特大學的 Adolf Giesen 團隊首次提出了 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)，這種獨特的薄盤結構為解決散熱問題提供了新的思路。

（2）概念提出與實驗室驗證階段（1990 - 2000年）

技術原理驗證：在這一階段，研究人員主要致力于從理論和實驗兩方面驗證碟片激光器概念的可行性。通過對薄盤狀增益介質(zhì)的熱特性、光學特性等進行深入研究，設計并搭建了基于碟片結構的激光實驗系統(tǒng)。

功率突破：實現(xiàn)了百瓦級的激光輸出，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驗室研究階段，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)化應用還有較長的路要走。

（3）工業(yè)化應用與功率提升階段（2000 - 2010年）

商業(yè)化開端：2000年代初，德國Trumpf公司推出了首臺商用碟片激光器TruDisk系列，標志著碟片激光技術開始走向工業(yè)化應用。該系列產(chǎn)品功率突破千瓦級，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)的車身焊接等領域得到了廣泛應用，大眾、寶馬等汽車品牌都采用了TruDisk系列碟片激光器進行車身焊接，大大提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

國際競爭與發(fā)展：同期，美國相干公司（Coherent）和日本松下（Panasonic）等國際知名企業(yè)也加入到碟片激光器的研發(fā)行列，形成了國際競爭與合作的局面。各企業(yè)通過不斷優(yōu)化技術和工藝，推動碟片激光器的功率向萬瓦級邁進，進一步拓展了碟片激光器在工業(yè)加工領域的應用范圍，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）多波長擴展與超快技術融合階段（2010年至今）

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

超快技術融合：碟片激光器還與超快激光技術實現(xiàn)了深度融合，作為超快激光放大器（如飛秒脈沖）的泵浦源，為阿秒科學和強場物理等前沿科學研究提供了強大的技術支持。在阿秒科學研究中，碟片激光器驅動的超快激光系統(tǒng)能夠產(chǎn)生阿秒級的光脈沖，使科學家能夠直接觀測和操控原子和分子內(nèi)部的電子運動，為探索微觀世界的物理規(guī)律提供了新的手段；在強場物理領域，高功率碟片激光器產(chǎn)生的強激光場可以與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生高次諧波、相對論效應等一系列新奇的物理現(xiàn)象，推動了強場物理學科的發(fā)展。

未來，碟片激光技術有望在進一步提高功率、優(yōu)化光束質(zhì)量、降低成本、拓展應用領域等方面取得新的突破，與其他新興技術的融合也將為其發(fā)展帶來更多的可能性。中輝激光作為國內(nèi)工業(yè)級碟片激光器供應商，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年國內(nèi)率先完成符合工業(yè)標準的碟片激光器量產(chǎn)機型；2022年推出工業(yè)級150瓦系列碟片激光器產(chǎn)品；2024年初推出工業(yè)級300W系列碟片激光器產(chǎn)品；同年9月推出工業(yè)級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。

碟片激光器的應用

（1）納秒級碟片激光器（1~1000ns）

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

分段應用場景：

1~100ns：用于高精度切割/標記，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8mm。

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

新增應用：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，飛機蒙皮聚氨酯涂層剝離。

（2）皮秒級碟片激光器（1~1000ps）

技術特點：1~100ps 實現(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10GW級，1000ps降至100MW級，重復頻率1~10MHz。

分段應用場景：

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

10~500ps：適用于薄膜加工/打標，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。

新增應用：3D玻璃成型，車載曲面觸控屏熱彎模具加工；多層PCB 微導通孔，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）飛秒級碟片激光器（1~1000fs）

技術特點：<100fs主導非線性電離，100~1000fs 熱弛豫效應增強；1fs脈寬對應0.3μm空間分辨率，近衍射極限；通過OPO可覆蓋 UV - THz波段。

分段應用場景：

1~100 fs：用于量子材料制備，拓撲絕緣體表面態(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透鏡波導結構刻寫，800fs脈寬，折射率變化Δn = 0.01。

新增應用：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；細胞級手術，神經(jīng)元突觸精準切斷。

未來應用

激光剝離（LLO）

Micro LED制造：206nm深紫外：直接解離GaN/藍寶石界面，實現(xiàn)原子級平整剝離（粗糙度<2nm）；515nm綠光：通過多光子吸收處理透明藍寶石，良率達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：清除硅基臨時鍵合膠層，效率提升3倍。

技術亮點：多波長協(xié)同（如1030nm預熱+206nm解離）降低熱應力70%。

激光退火（LA）

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

先進芯片：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：3 nm FinFET摻雜活化率>99.9%。

技術亮點：超快退火（500fs）實現(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）。

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

技術亮點：MHz級高重頻沉積（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)。

技術挑戰(zhàn)與未來趨勢

盡管碟片激光技術已趨成熟，但仍面臨以下挑戰(zhàn)：

成本競爭：光纖、塊狀激光器憑借更低成本和模塊化設計，在中低功率市場占據(jù)優(yōu)勢。

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

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

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