激光加工技術(shù)正通過(guò)提升平均輸出功率、擴(kuò)展波長(zhǎng)范圍以及提高重復(fù)頻率，不斷突破傳統(tǒng)應(yīng)用的邊界。近期，日本兩家高校在相關(guān)基礎(chǔ)研究與光源開(kāi)發(fā)上取得重要進(jìn)展，為工業(yè)制造和醫(yī)療領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性。

4微米中紅外激光：解鎖分子指紋與透明材料加工

京都大學(xué)時(shí)田茂樹(shù)教授團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)攻關(guān)3至5微米的中紅外波段。這一區(qū)域被稱(chēng)為“分子指紋區(qū)”，不同分子在此具有獨(dú)特的吸收特性，使得激光能夠精準(zhǔn)識(shí)別并選擇性作用于特定物質(zhì)。此外，該波段的光被水強(qiáng)烈吸收，對(duì)含水的生物組織作用顯著，在牙科治療和激光手術(shù)刀等醫(yī)療場(chǎng)景極具潛力；同時(shí)，它也能高效穿透或加工玻璃與樹(shù)脂等透明材料。

然而，中紅外光源的開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期受制于轉(zhuǎn)換效率低和材料限制。傳統(tǒng)光參量放大器（OPA）雖能實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，但效率低下，難以滿(mǎn)足工業(yè)需求；而光纖或固體激光器在中紅外波段則面臨輸出瓶頸。時(shí)田團(tuán)隊(duì)歷時(shí)十余年，Zui終開(kāi)發(fā)出基于摻鐵硒化鋅（Fe:ZnSe）晶體的4微米激光放大系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用啁啾脈沖放大技術(shù)，將種子光脈沖展寬后，多次通過(guò)Fe:ZnSe放大器提升能量，Zui后壓縮回超短脈沖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，峰值功率高達(dá)約20吉瓦（GW），脈沖能量穩(wěn)定，光束質(zhì)量?jī)?yōu)良。盡管目前重復(fù)頻率僅為5赫茲（Hz），但團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將其提升至千赫茲（kHz）級(jí)，并進(jìn)一步將峰值功率推向太瓦（TW）級(jí)別，使其成為極具潛力的工業(yè)加工光源。

GHz級(jí)超短脈沖光纖激光：突破光暗化瓶頸

另一方面，千葉工業(yè)大學(xué)小山勇也準(zhǔn)教授團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)高重復(fù)頻率的超短脈沖光纖激光器。這類(lèi)激光器能產(chǎn)生皮秒或飛秒級(jí)的極短脈沖，在微細(xì)加工、生物成像及光學(xué)頻率梳等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。提升重復(fù)頻率是加快加工和測(cè)量速度的關(guān)鍵，而摻鐿（Yb）光纖激光器因效率高、光束質(zhì)量好且免維護(hù)，成為理想選擇。

挑戰(zhàn)在于，提高重復(fù)頻率需要縮短諧振腔和光纖長(zhǎng)度，這導(dǎo)致?lián)借O濃度必須極高，從而引發(fā)“光暗化”效應(yīng)——即光纖內(nèi)部產(chǎn)生額外吸收損耗，降低性能。為解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)采用摻鎂（Mg）的二氧化硅玻璃光纖，有效抑制了光暗化現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)兩階段實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)鎖模到連續(xù)波鎖模（CML）的穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)優(yōu)化輸出鏡反射率、模式場(chǎng)直徑及冷卻系統(tǒng)，Zui終獲得了基頻為1吉赫茲（GHz）的穩(wěn)定超短脈沖序列，并觀測(cè)到高次諧波。小山教授表示，未來(lái)將通過(guò)進(jìn)一步縮短光纖長(zhǎng)度來(lái)提升重復(fù)頻率，奠定下一代脈沖光纖激光光源的技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)演進(jìn)對(duì)精密制造行業(yè)的啟示

這兩項(xiàng)研究分別代表了激光技術(shù)在“波長(zhǎng)特異性”和“處理速度”兩個(gè)維度的突破。中紅外激光的實(shí)用化將解決透明材料難以加工的行業(yè)痛點(diǎn)，而GHz級(jí)超短脈沖光纖激光器則有望大幅提升微納制造的生產(chǎn)效率。隨著光源性能的持續(xù)優(yōu)化，激光加工將從單純的切割焊接，向更精細(xì)的材料改性、生物醫(yī)療及高速檢測(cè)領(lǐng)域深度滲透。

對(duì)于中國(guó)制造業(yè)而言，這些前沿進(jìn)展提示我們關(guān)注激光光源底層技術(shù)的創(chuàng)新。在高端裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中，除了整機(jī)集成能力的提升，更應(yīng)加強(qiáng)對(duì)特種光纖材料、非線性光學(xué)晶體等核心元器件的基礎(chǔ)研究投入。只有掌握關(guān)鍵光源技術(shù)，才能在精密加工、半導(dǎo)體制造等高附加值領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)真正的自主可控，抓住新一輪產(chǎn)業(yè)升級(jí)的機(jī)遇。