工业激光器的国际领跑者

1.半导体激光器

工业激光器中的半导体激光器主要有两个用途：一是作为光纤激光器和固体激光器的泵浦源，二是进行直接应用。

国际上直接应用的大功率半导体激光器主要由德国、美国“平分天下”。在半导体激光技术方面，主要有德国Rofin-Sinar公司、Fraunhofer激光技术研究所（ILT），以及英国曼彻斯特大学Lin Li教授团队；主要供应商有德国的Laserline公司、DILAS公司、Rofin-Sinar公司，以及美国的Tera-Diode公司、Coherent公司等。在半导体激光器产品方面，主要有德国的Rofin-Sinar公司、Fraunhofer ILT、Laserline公司、DILAS公司，以及美国的TeraDiode公司、Coherent公司等。

德国DILAS公司报道了4 kW（芯径400μm，NA=0.12）5波长光纤耦合模块，电光效率为49%；德国通快公司报道了4 kW（芯径200μm，NA=0.11）光纤耦合输出模块，电光效率为40%；TeraDiode公司利用光谱合束技术推出了4 kW（芯径100μm，NA=0.08）、电光效率为44%的光电耦合输出半导体激光器；Laserline公司推出了25 kW（芯径2 mm，NA=0.2）4波长光纤耦合模块。Coherent公司High Light D系列输出功率可达10 kW，波长为975 nm，电光效率大于45%。Rofin-Sinar公司DF系列输出功率为4～6 kW，光束质量为110 mm·mrad（耦合进芯径1000μm光纤），如图3-11所示。TeraDiode公司实现光束参量乘积最佳可达3 mm·mrad，在单根芯径为50μm、数值孔径为0.15的光纤耦合输出时，单波长的输出功率可达2030 W。2014年，该公司还推出了4 kW直接半导体激光器，100μm光纤，BPP可达4 mm·mrad。德国LIMO公司的DIOCUT系统和激光二极管阵列激光器系统已用作不同材料的激光熔覆、有氧切割。

图3-11　Rofin-Sinar公司DF系列半导体激光器

直接二极管激光器的BPP在几到几十mm·mrad。美国Ⅱ-Ⅵ公司生产多种直接二极管激光器产品，功率从几瓦到数千瓦；同时也提供多种类型的单管和巴条，它们可用于其直接二极管激光器产品中。中低功率范围内的所有系统，均基于Ⅱ-Ⅵ公司专有的单管产品。通过垂直堆叠多模、高功率单管，并使用偏振合束，可以在功率高达300 W的小型传导冷却型模块中，实现约6～15 mm·mrad的BPP值。这些模块集成到广泛的光纤尾纤模块中，用于光纤激光器的泵浦。例如Ⅱ-Ⅵ公司的Direct Light900产品线，该系统可以实现非常高的功率，非常适合材料加工应用。在DirectProcess900产品中，高功率光束是通过波长复用激光器叠阵和偏振合束子模块来实现的。这种方法使DirectProcess900产品能够在100 W至超过1 kW的大功率范围内，实现6 mm·mrad的BPP值。然后，平顶光束轮廓可以在自由空间或通过芯径100μm或200μm的光纤传输到工件上。由于波长复用，这些系统发射光的波长范围在900～980 nm之间。Ⅱ-Ⅵ公司最近扩展了DirectProcess900产品系列，提供了具有高功率、波长稳定的基于巴条的模块，该模块具有平顶光束轮廓，BPP值为5 mm·mrad。基础模块可实现小于25 nm的带宽和1.5 kW的输出功率。这些基础模块可以直接应用于加工领域，例如用于切割和焊接，以及高能激光器泵浦。波长复用将该平台的功率水平扩展到几千瓦范围，而光束特性没有任何变化。这些产品的冷却系统和驱动器电子产品也将很快提供。Ⅱ-Ⅵ公司还生产光束传输产品，例如高功率光缆和激光加工头。DirectProcess900 FlexShape激光具有6 mm·mrad的自由空间矩形BPP，并配备了远程控制的可变光束整形器，可生成矩形光束轮廓，其长度和宽度可在0.2 mm至50 mm以上的范围内快速调整。

美国Lasertel公司专为各种材料加工应用量身定制高功率直接二极管激光系统，系统输出功率可以从连续波100 W到50 kW，脉冲功率超过1 MW。Lasertel公司的T6激光二极管阵列，最高可提供25 kW峰值功率或2 kW平均功率，可用波长范围760～1700 nm。通过添加量身定制的准直和调节微光学元件，可以对光学能量进行整形，以加热特定应用的工作区域，例如线、矩形或介于两者之间的任何形状。T6已被用作自动纤维铺放（AFP）机器内部的热源。

半导体激光器焊接机器人系统最大的应用市场是汽车工业、各种钣金件焊接、有色金属焊接等。美国、德国最早将高功率半导体激光器用于汽车钣金件的切割、焊接，使汽车改型的周期从5年缩短到2年。

2.光纤激光器

根据《Laser Focus World》发布的数据，近年来，工业激光器的市场规模快速增长。其中光纤激光器的增速更快，从2015年到2020年，光纤激光器的市场规模从11.68亿美元增至27.17亿美元。同期，光纤激光器在工业激光器中的占比也从40.8%提升至52.68%，是市场份额最大的工业激光器。

光纤激光器是采用光纤作为工作介质的激光器，性能优越。光纤具有体积小、可缠绕、面积体积比高、半导体激光器直接泵浦、效率高等特性，因而具备实现大功率输出的优势。玻璃光纤的增益带宽相对较宽，因而也有助于超短脉冲飞秒激光的产生。通过光纤波导设计，并采用双包层泵浦结构，光纤激光器可用于实现亮度转换，以获得高功率且光束质量优异的激光输出。在结构上，光纤激光器谐振腔可采用全光纤结构，因此其具备免调节、免维护、稳定性高等优点。此外，光纤激光器输出的激光可直接用光纤导出，因此光纤激光器具有优良的加工适应性。

经过多年的发展，中国已经能够生产大部分的工业光纤激光器，中低功率的光纤激光器基本完成了国产化进程，国产高功率光纤激光器的市场份额也在稳步提升。

下面对用于工业加工的光纤激光器技术指标进行国际对标。选取的代表性国外供应商包括美国IPG Photonics公司、丹麦NKT Photonics公司和德国Active Fiber Systems公司，国内供应商包括锐科激光，安扬激光和光至科技。

1）单模高功率连续波光纤激光器

单模高功率连续波光纤激光器输出功率可达3～10 kW，其具备高功率、高光束质量的优势。该产品适用于切割、焊接、打孔、医疗器件加工等多种应用场合，相对于其他同类型激光器优势明显。代表性产品为锐科RFL-C6000S，最高功率为6 kW；美国IPG YLS-10000-SM，最高功率为10 kW，如表3-15所示。

表3-15　单模高功率连续波光纤激光器代表性产品参数

2）多模组高功率连续波光纤激光器

多模组高功率连续波光纤激光器输出功率范围涵盖4～30 kW，乃至100 kW，可广泛应用于焊接、精密切割、熔覆、表面处理、3D打印等领域，在质量和成本方面都超越了传统非激光技术和具有竞争关系的激光技术。其光纤输出特征使其更易于与机器人集成为柔性制造装备，从而满足三维加工的需求。代表性产品为锐科RFL-C30000，最高功率为30 kW；美国IPG YLS-CUT，最高功率为20～100 kW，如表3-16所示。

表3-16　多模组高功率连续波光纤激光器代表性产品参数

3）准连续光纤激光器

准连续光纤激光器是现有的灯泵YAG激光器的替代品，它具有更高的电光转换效率、更好的光束质量、更少的维护成本等优势。准连续光纤激光器是点焊、缝焊和钻孔等需要长脉宽、高峰值的工业应用的理想选择。代表性产品为锐科RFL-QCW 1500/15000，平均功率1500 W，峰值功率15000 W；美国IPG YLS-2300/23000-QCW，平均功率2300 W，峰值功率23000 W，如表3-17所示。

表3-17　准连续光纤激光器代表性产品参数

4）纳秒光纤激光器

纳秒光纤激光器具有高平均功率、高峰值功率、脉宽可选、重复频率可调，脉宽可在线修改等特点，可用于太阳能光伏、薄膜切割、薄板材料切割、焊接、材料表面清洗、精细打标、深度标刻等领域。代表性产品为锐科RFL-P200S，平均功率200 W，最大脉冲能量1 mJ；光至YFPN-200-GMZ，平均功率200 W，最大脉冲能量2 mJ；美国IPG YLPN-2-20×500-300，平均功率300 W，最大脉冲能量2 mJ，如表3-18所示。

5）高功率纳秒光纤激光器

高功率纳秒脉冲光纤激光器脉冲能量可达100 mJ，脉冲持续时间为20～160 ns，平均输出功率可达1 kW以上，重复频率为2～50 kHz，可用于高通量表面处理，例如脱漆、涂层去除、表面清洁和纹理化等。代表性产品为锐科RFL-P2000，平均功率2000W，脉冲能量100 mJ；美国IPG YLPN 100 mJ-1000 W，平均功率1000W，脉冲能量100 mJ，如表3-19所示。

表3-18　纳秒光纤激光器代表性产品参数

表3-19　高功率纳秒光纤激光器代表性产品参数

6）光纤超快激光器

超快激光器面向激光精密加工领域，已经逐步渗透到PCB制造、精密机械制造、玻璃切割、OLED面板加工、手机部件加工、医疗器械加工、光伏等领域。光纤超快激光器具备光斑模式好、脉冲能量稳定性高、可支持飞秒脉冲、平均功率高等优势。代表性产品为安扬Femto YL 2-100，平均功率100 W，脉冲能量300μJ，脉冲宽度400 fs～10 ps可调；丹麦NKT aero-PULSE FS50，平均功率50 W，脉冲能量40μJ，脉冲宽度500 fs～3 ps可调，如表3-20所示。

表3-20　光纤超快激光器代表性产品参数

7）高功率光纤超快激光器

高功率光纤超快激光器是在光纤超快激光器基础上通过相干合束来实现的。高功率光纤超快激光器适合复合材料加工、高产率工业加工、3D打印等需要高重频的激光应用。典型产品为德国AFS Ytterbium-2000，平均功率2000 W，脉冲能量20 mJ，脉冲宽度250 fs～5 ps可调；安扬Femto YL-1000 W，平均功率1000 W，脉冲能量2μJ（未采用合束技术），脉冲宽度500 fs，如表3-21所示。

表3-21　高功率光纤超快激光器典型产品参数

综上所述，对连续波光纤激光器，单模组产品的输出功率可达2～10 kW，多模组产品的输出功率可达20～100 kW。对准连续光纤激光器，平均功率为2 kW左右。对纳秒光纤激光器，高光束质量纳秒光纤激光器最大脉冲能量为2 mJ，高功率纳秒脉冲光纤激光器的脉冲能量可达100 mJ。对光纤超快激光器，脉冲能量为300μJ，通过采用合束技术，脉冲能量可达20 mJ。

由以上国际对标可见，对连续波、准连续、纳秒光纤激光器，国内和国外产品的技术指标保持在同一水平。对光纤超快激光器，国内产品已经具备较高的技术水平。光纤超快激光器的趋势是进一步向高功率、高能量发展，主要通过合束技术来实现，这方面国内企业尚无类似产品。

3.薄片激光器

1）薄片激光器的基本结构

薄片激光器是一种二极管泵浦固体激光器，由德国斯图加特大学Giesen等人于1994年发明，距今发展了二十多年，已经成为工业激光市场的一种主流激光光源。不同于传统的棒状或块状激光器，薄片激光器的增益介质为薄片形状，其厚度仅为100～300μm，直径最大可达30 mm，这极大地提高了增益介质的热传导效率。这也使得薄片激光器的结构和一般固体激光器不同，其基本原理如图3-12所示，它有如下几个显著特点。一是薄片增益介质一面镀高反膜，一面镀高透膜，并在增益晶体的镀高反膜的一面进行冷却，通过将冷却面作为谐振腔的端镜或者腔镜，可以使得激光方向和温度梯度方向平行。由于增益介质通过背面固定在热沉上，当泵浦光的直径远大于薄片厚度时，激光晶体热流传输过程可以看作是沿增益介质纵向的一维热传导，从而最小化热透镜和热致双折射效应。二是它采用纵向泵浦，泵浦光沿着厚度方向通过增益介质，与激光振荡方向接近，使得激光和泵浦光有较好的模式空间交叠，从而实现高效率、高光束质量的激光输出。三是泵浦光多次通过薄片晶体。由于较薄的增益介质单程吸收有限，通过端面进行多次泵浦可以有效地提高泵浦光的吸收效率。经典的多次泵浦系统结构如图3-13所示，用于泵浦的半导体激光器经过光纤匀化或者匀化石英棒后，成像到薄片表面，可以在薄片上实现具有适当功率密度的、非常均匀的泵浦分布，这是良好的光束质量所必需的。未被吸收的部分泵浦光在抛物面镜的另一侧再次准直。该光束使用两个镜子重定向到抛物面镜的另一部分，在那里泵浦光束再次聚焦到薄片上。通过一直重复的成像结构，直到泵浦光在抛物面上环行了一周。最后通过全反镜，让泵浦光原路返回，使得泵浦光通过薄片的次数翻倍。其中图3-13（a）所示为泵浦光在抛物面上环行一周的示意图，图3-13（b）所示为通过使用小直角棱镜实现泵浦光在抛物面上环行两周的示意图，进一步增加了泵浦次数。通过这种方式，实现了多达32次甚至更多次泵浦光通过薄片晶体，可以保证90%以上的泵浦光被薄片吸收。当采用这种结构后，输出激光的功率和能量标定放大可以简单地通过扩大薄片上的泵浦光斑来实现。

图3-12　薄片激光器的基本原理

图3-13　基于单抛物面镜和大型直角棱镜组的多次泵浦方案结构示意图

由于薄片激光器的激光光斑较大，所以和光纤激光器相比，薄片激光器可以实现更高峰值功率及脉冲能量的激光输出；另外，薄片激光器的增益介质较薄，这使得薄片激光晶体具有的非线性效应很低，在实现超短脉冲激光方面具有很大的优势。正因为如此，薄片激光器是当前同时实现高平均功率、高峰值功率、大脉冲能量、高光束质量最有潜力的技术方案。

2）各类薄片激光器的技术指标

薄片激光器和一般的固体激光器类似，可以实现从连续到各种脉冲宽度的激光输出，输出激光模式上也可以分为基模或多模。在脉冲薄片激光器方面，实现纳秒光的主要技术为声光调Q技术以及腔倒空调Q技术，实现皮秒或飞秒的激光技术为锁模技术和放大技术。目前，连续薄片激光器基模输出已实现了万瓦级的突破。基于腔倒空技术的纳秒薄片激光器的输出功率达到了4.2 kW，重复频率为40 kHz，单脉冲能量为180 mJ，光束质量M2＜14。进一步通过倍频技术，实现了平均功率1.8 kW的515 nm激光输出。通过三倍频技术，实现了500 W的343 nm的紫外激光输出。在超快激光器方面，薄片激光器也取得了很大的进展；对于超快薄片激光器，目前已实现的标志性参数如表3-22所示。基于锁模技术的薄片振荡器平均功率最高实现了350 W，单脉冲能量最高实现了80μJ；基于再生放大技术的超快薄片激光系统实现了平均功率1 kW，单脉冲能量200 mJ的激光输出；基于薄片多通放大技术，甚至获得了超过焦耳级的脉冲激光输出。这些技术指标最大的特点在于薄片激光器在获得高平均功率的同时，单脉冲能量比其他激光器高出数个数量级。超快光纤激光器、超快板条激光器及超快薄片激光器输出特性的对比如图3-14所示。

表3-22　超快薄片激光器已实现的一些标志性参数

图3-14　部分超快光纤激光器、超快板条激光器及超快薄片激光器输出特性

3）薄片激光器产品

世界上最大的薄片激光器生产商为德国的TRUMPF公司（https：//www.trumpf.com/）及其子公司TRUMPF Scientific公司（https：//www.trumpf-scientific-lasers.com/），他们的薄片激光器的各项输出指标均处于国际最高水平。下面将对当前基于薄片技术的主要工业产品进行分析。TRUMPF公司目前的薄片激光器产品按照运转方式可分为连续（TruDisk）、纳秒（Tru Micro 7000）及皮秒（Tru Micro 5000）等三种，按照输出波长可分为红外、绿光及紫外等三种。

（1）连续薄片激光器TruDisk系列。

如图3-15所示，Tru Disk系列连续薄片激光器目前已经发展到了第6代，单碟输出功率最高可达12 kW。该系列产品数目很多（包括了平均功率1～16 kW的激光输出），产品主要根据输出功率及输出激光的光束质量（NA=0.1时，可耦合进的纤芯最细的光纤）进行分类，其命名规则如图3-16所示。

图3-15　通快Tru Disk系列激光器迭代历史

图3-16　通快Tru Disk系列激光器命名规则

基于单薄片单谐振腔高功率TruDisk系列的激光器主要参数如表3-23所示，输出功率最高的产品为TruDisk 12001，最高可输出12000 W，光束质量为4 mm·mrad，其结构示意图如图3-17所示，其中泵浦光通过薄片的次数为72次，保证了泵浦光的完全吸收，光光效率超过了70%。激光谐振腔由多个谐振腔折叠镜、一个带功率测量的HR端镜和一个输出耦合镜构成。通过功率测量可以实现激光器输出功率稳定。然后，将激光束从输出耦合镜引导到光纤耦合端口，在这些端口之间，激光束可以使用光束开关组件在小于100 ms的时间范围内来回切换。进一步从表3-23中可知，超过6 kW后，Tru Disk激光器的最好光束质量均为4 mm·mrad。第5代Tru Disk 8001输出功率为8 kW，光束质量为4 mm·mrad，而外形尺寸更小一些。TruDisk 6000与TruDisk 12001具有相同的外形尺寸，但光束质量为2 mm·mrad，比TruDisk 12001好一倍。TruDisk激光器的光束质量主要和谐振腔的结构以及薄片的热变形有关，在高平均功率输出时，若要有更好的光束质量，则要求谐振腔长度更长，薄片的热变形更低。通过使用两台TruDisk 12001激光器进行偏振合束可实现超过20 kW的连续激光输出，这样可保证功率翻倍的同时光束质量几乎不变，其结构图如图3-18所示。光束质量为2 mm·mrad，平均功率为8 kW的TruDisk 8000也已经在实验室中实现。

表3-23　基于单薄片单谐振腔的高功率TruDisk连续激光器的主要参数

图3-17　Tru Disk 12001结构示意图

图3-18　偏振合束谐振腔结构图

早期TruDisk激光器为了实现高功率的输出，采用在一个谐振腔内串接多个薄片的方法，但一般腔内串接多个薄片会使激光器的输出光束质量发生一定的退化。部分基于多碟串接的TruDisk连续激光器的主要参数如表3-24所示，和前面单薄片连续激光器相比，此时激光器的光束质量从常规的4 mm·mrad变为8 mm·mrad，而结构尺寸上也显著变大。一个4碟串接结构Tru Disk薄片激光器如图3-19所示。

表3-24　基于多薄片的TruDisk连续激光器的主要参数

图3-19　4碟串接薄片激光器

（2）连续及准连续绿光薄片激光器TruDisk系列。

连续绿光薄片激光器的主要参数如表3-25所示，结构图如图3-20所示，它通过在连续薄片激光器中加入倍频晶体以实现高功率的绿光输出。在实现连续绿光输出上，薄片激光器与其他激光器相比具有多项优势。对于实现高效的二次谐波，需要窄光谱带宽的偏振光。通过使用偏振和波长稳定器件，在薄片激光器中很容易实现这些要求。薄的增益介质也可以抑制非线性，非线性可能会引入不希望的光谱展宽，允许通过简单地增加泵浦光光斑的直径而不改变功率密度和损伤阈值来定标放大输出激光的平均功率。再加上它对泵浦光光束质量的要求很低（在成本方面具有优势），上述特性使得薄片激光器成为绿光光源的完美选择。所需的光束质量也可以通过激光谐振腔的设计来实现。通过使用腔内倍频技术及优化系统的热负载，通快公司在实验室中实现了最高4300 W的连续绿光输出，光光效率达到了55%。

表3-25　连续绿光薄片激光器TruDisk系列的主要参数

除了连续绿光激光器，通快公司还推出了准连续的绿光激光器TruDisk Pulse 221和TruDisk Pulse 421，它们的主要参数如表3-26所示，虽然平均功率最大仅为200 W和400 W，但峰值功率可以分别达到2 kW和4 kW，单脉冲宽度也可以在0.3～50 ms调节。

（3）纳秒脉冲Tru Micro 7000系列。

图3-20　连续绿光薄片激光器结构图

表3-26　准连续绿光薄片激光器TruDisk Pulse系列的主要参数

通过采用腔倒空技术，薄片激光器可以产生脉宽在数十纳秒的激光脉冲。表3-27所示为Tru Micro 7000系列激光器的输出参数。其中Tru Micro 7070最高可实现2 kW平均功率的激光输出，脉冲宽度为30 ns，在5 kHz时可实现100 mJ的激光输出。表3-27中光束质量主要由耦合光纤的纤芯决定。Tru Micro 7050的谐振腔结构如图3-21所示，泵浦光斑为6.3 mm，光光效率约为50%。

表3-27　Tru Micro 7000系列激光器的输出参数

图3-21　Tru Micro 7050的谐振腔结构示意图

（4）纳秒紫外脉冲Tru Micro 8300系列（原7300系列）。

基于Tru Micro 7000系列激光器，Tru Micro 8300采用三倍频技术获得343 nm的激光输出，其主要参数如表3-28所示，最高可以输出400 W平均功率的紫外激光，重频最低为10 kHz，此时单脉冲高达40 mJ。Tru-Micro 7370的结构示意图如图3-22所示，Tru Micro 7380的结构示意图如图3-23所示。其中Tru Micro 7370采用了一级的三倍频技术，而Tru Micro 7380采用了两级的三倍频技术，最高可以获得500 W的紫外光输出，红外光到紫外光的转换效率约为40%。即使受到晶体寿命的影响，该紫外激光器的工作时间仍然为8000～10000 h，在市场上处于较高的水平。

表3-28　Tru Micro 8300激光器的输出参数

（5）皮秒飞秒脉冲Tru Micro 5000系列。

图3-22　Tru Micro 7370的结构示意图

图3-23　Tru Micro 7380的结构示意图

Tru Micro 5000系列激光器为超快薄片激光器，包括红外、绿光及紫外三种波长的输出，脉宽上分为皮秒和飞秒两个版本。该系列激光器在2000年就已经立项。2003年，第一台原型机Quattro诞生。2009年，第二代样机正式面向市场发布，并应用于汽车行业的喷油嘴钻孔项目，是世界上第一台工业级皮秒激光器。2013年，通快公司因Tru Micro 5000系列激光器获得德国未来奖。Tru Micro 5000系列激光器的主要参数如表3-29所示，红外皮秒激光器的最大平均功率为150 W，单脉冲能量最大为500μJ。红外飞秒激光器平均功率最高为120 W，单脉冲能量最高为200μJ。表3-30和表3-31分别为对应的绿光和紫外皮秒或飞秒激光器，其中皮秒绿光的最高平均功率为90 W，皮秒紫外的最高平均功率为45 W。Tru Micro 5000系列激光器采用环形腔薄片再生放大技术设计，其结构示意图和内部实物图分别如图3-24和3-25所示，其光光效率超过50%。

表3-29　Tru Micro 5000超快红外激光器的主要参数

表3-30　Tru Micro 5200超快绿光激光器主要参数

续表

表3-31　Tru Micro 5300超快紫外激光器的主要参数

（6）TRUMPF Scientific公司Dira系列大能量激光器。

Dira系列激光器（薄片再生放大器）提供皮秒持续时间的脉冲，脉冲能量高达200 mJ，这是当今可从再生放大器中提取的最高脉冲能量，常规产品的主要参数如表3-32所示。产品组合涵盖了从1 kHz到数百千赫兹的重复范围。Dira系列的灵活设计允许根据用户要求定制系统，可根据要求提供脉冲能量高达焦耳级或平均功率为千瓦的特殊型号。Dira 200激光器如图3-26所示。

图3-24　Tru Micro 5000的结构示意图

图3-25　Tru Micro 5000的内部实物图

表3-32　通快科学公司Dira激光器的主要参数

图3-26　Dira 200激光器

4.CO2激光器

CO2激光器是激光制造中常用的工业激光器之一。CO2是其主要工作介质，在气体放电激励下，CO2分子处于不停的运动状态中（包括反对称振荡、对称振荡和变形振荡，这三种振荡是相互独立的）。激光跃迁主要在（0001）—（1000）之间和（0001）—（0200）之间，前者输出10.6μm激光，是激光加工的主要波段，后者输出9.6μm激光。

1964年，Patel在CO2气体放电中获得连续CO2激光的输出。CO2激光器发展较早，商业产品较为成熟，具有转化效率高、光束质量好、功率范围大，既能连续输出又能脉冲输出，且运行费用低，有较好的单色性和较好的频率稳定性等优点，因此在材料加工、医疗、军事武器、环境测量等各个领域获得了广泛的应用。在千瓦级高功率光纤激光器获得广泛应用以前，高功率CO2激光器一直是激光切割、激光熔覆和激光相变硬化等钣金加工应用的主力光源。

与普通工业激光器相比很独特，CO2激光器工作在10.6μm的长波红外线波段，许多有机材料如纸、木材、塑料、橡胶、纺织物和皮革等对10.6 μm波长的吸收能力都很强，某些对可见光（甚至近红外）可透过的材料如玻璃和蓝宝石也能吸收10.6μm波段。CO2激光器在非金属加工应用中，比如非金属的激光打标、布匹皮革的激光切割、安全气囊的激光切割、光纤的切割和熔接、半导体硅晶圆的激光退火、PCB板的激光加工、EUV驱动光源等，具有无可替代的优势。

目前从事CO2激光器研发与生产的单位，国外主要有美国的Coherent公司、Synrad公司、ACCESS公司，以及德国的TRUMPF公司等。国内主要有华中科技大学激光加工国家工程研究中心、沧州沃福激光、武汉科威晶激光、南京晨锐腾晶、东莞市斯派特激光、吉林省永利激光、北京热刺激光等。

美国Coherent公司的产品是20～120 W、100～1000 W、1～8 kW低功率、中功率和高功率全系列全金属射频激光器，以及射频板条CO2激光器。

美国ACCESS公司的产品是平均功率100 mW～50 W、峰值功率高达1 kW的近百种射频激励CO2激光器，形成了中低功率CO2激光器全系列产品线，其产品特色是短脉宽、窄线，其Q开关激光器脉宽小于380 ns，峰值功率大于1 kW。

美国Synrad公司研发生产5～100 W低功率和100～400 W中功率的射频CO2激光器，市场份额非常大，国内进口非常多。

德国TRUMPF公司在CO2激光器方面主要有两类产品，一类是2～20 kW的高功率轴快流CO2激光器；另一类是用于EUV驱动光源的高功率短脉宽CO2激光放大器，它放大10000倍，平均功率达到40 kW，是实际上唯一实现产业应用的EUV光刻机的驱动光源。

华中科技大学激光加工国家工程研究中心是国内唯一研发并产业化了高功率横流、轴快流、射频板条三种高功率CO2激光器的单位。其中高功率横流CO2激光器实现了万瓦产业化；高功率轴快流CO2激光器实现了10 kW研发水平，千瓦产业化水平；射频板条CO2激光器实现了3 kW研发水平，核心器件实现了产业化。华中科技大学激光加工国家工程研究中心是国内为数不多并且是仍然坚持进行高功率CO2激光器研究的单位。沧州沃福激光、武汉科威晶激光是华中科技大学轴快流CO2激光器的产业化单位。

南京晨锐腾晶主要生产10～100 W等级射频CO2激光器，东莞市斯派特主要生产5～40 W等级射频CO2激光器，吉林省永利激光和北京热刺激光主要生产中低功率的玻璃管CO2激光器。国内150～1000 W级射频CO2激光器的产业领域还是空白，在3500～8000 W的扩散冷却板条CO2激光器和用于EUV驱动的短脉宽CO2种子源及放大器等方面，与国外的差距非常巨大。

1）美国Coherent公司（相干公司）

美国Coherent公司成立于1966年，是世界领先的激光器及相关光电子产品生产商。Coherent公司能够提供全面的激光器和激光参数测量产品，包括：氩/氪离子激光器、CO2激光器（10.6μm、9.4μm、调Q、可调谐、单频、太赫兹源）、半导体激光器（375 nm、405 nm、635 nm、780～980 nm）、钛宝石连续可调谐激光器、准分子激光器、脉冲染料激光器、钛宝石超快激光器及放大器、半导体泵浦固体激光器（1064 nm、532 nm、355 nm、266 nm）、功率计、能量计、光束质量分析仪和波长计等。

Coherent公司推出了20～120 W的DIAMOND Cx系列、100～500 W的DIAMOND J系列、1000 W的DIAMOND J-1000系列以及1～8 kW的DC系列CO2激光器，其中100～1000 W的DIAMOND J系列和1～8 kW的DC系列CO2激光器基本为独家垄断。

（1）DIAMOND Cx系列。

DIAMOND Cx系列封离型CO2激光器输出功率范围为20～120 W，可选波长有9.3μm、9.6μm、10.2μm和10.6μm等，能提供优异的光束质量和快速的调制响应。C系列和Cx系列激光器不仅外形尺寸小巧，同时还具有功率稳定性高、光学模式佳、升降时间快等优势。该系列激光器主要应用于饮料酒瓶打标、内雕、切割和烧结，还可应用于包装印刷（例如软包装的激光刻划）以及医疗领域。

（2）DIAMOND J系列。

DIAMOND J系列是一款外形紧凑的封离型CO2激光器，基于Coherent公司先进的、经过现场验证的、完全密封的板条放电技术，它具有无与伦比的性能和卓越的可靠性。例如，其独特的结构结合了高光斑质量（M2＜1.2）和接近方波形的脉冲，以实现高加工效率和速度，同时最大限度地减少了热影响区域。J系列激光器中的集成射频电源消除了传统射频线缆，提高了可靠性并降低了拥有成本。J系列产品的功率范围为150～500 W，输出波长为10.6μm和9.4μm。因此，该系列产品适用于各种成本和空间敏感型应用，比如转换、打标、雕刻、切割、打孔和钻孔。这些CO2激光器的长波红外输出使其能够加工大量有机材料，包括纸、纸板、塑料膜、纺织品、皮革、木材、塑料制品和碳复合材料，以及玻璃甚至薄金属。

（3）DIAMOND J-1000系列。

DIAMOND J-1000系列产品的平均功率大于1000 W，峰值功率大于2800 W，输出波长为10.6μm和9.4μm，是一款外形紧凑的封离型CO2激光器，该产品的板条放电技术、射频电源集成技术、远程诊断技术优势明显。

（4）DC系列。

DC系列，美国Coherent公司收购德国Rofin公司后，研制出一批功率从1 kW到8 kW系列射频板条CO2激光器商业产品。应用于高功率激光切割、焊接、刻槽等，其在千瓦级射频板条CO2激光器市场处于垄断地位。DC系列产品稳定性较好，光束质量因子K=0.95，有连续和脉冲两种工作方式，其中4.5 kW及以下型号的脉冲重复频率在2～5000 Hz范围内可调，5 kW及以上型号的脉冲重复频率在2～100 Hz范围内可调。图3-27所示为DC系列射频板条CO2激光器实物图。

图3-27　Coherent公司DC系列射频板条CO2激光器实物图

扩散冷却板条CO2激光器内部无气体流动，且不用密闭气体放电管，与轴流CO2激光器相比，扩散冷却板条CO2激光器的结构非常紧凑。

扩散冷却板条CO2激光器采用射频激励，其电极间的等离子体的形状为板条状，激光气体的热量经冷却的电极散发，由于电极之间的间隔极小，放电腔内的激光气体的热量能非常有效地通过电极散发，因此可获得相当高的等离子体功率密度。

光学谐振腔由两片前后镜子和两个平行的射频电极组成。采用柱面镜构成的非稳定谐振腔，由于光学非稳腔能容易地适应激励的激光增益介质的几何形状，扩散冷却板条CO2激光器能产生高功率密度激光光束，且激光光束质量高。扩散冷却板条CO2激光器的谐振腔镜采用热传导材料，激光光束的输出采用热稳定宝石，谐振腔镜和输出窗口由水冷却，从而保证在产生高功率密度激光光束时有较高的热稳定性。激光管完全密封起来，预期寿命超过20000操作小时。输出的激光光束是45°的线偏振光，经过光束整形元件，产生一个高质量的圆对称光束。

扩散冷却板条CO2激光器除了结构紧凑、坚固之外，其更明显的优势是气体消耗量非常小。与激光气体流动的其他CO2激光器相比，扩散冷却板条CO2激光器所需的新的激光气体只需要在一定的时间间隔内添加，置于激光头内的10L的混合气体可用一年多，省去了外部气源输入系统。

扩散冷却板条CO2激光器紧凑的结构和小的体积，带来了整个激光加工机械系统的简化，并允许加工系统设计成可移动的激光头。

扩散冷却板条CO2激光器好的光束质量，保证了较大激光加工工作区焦点的漂移很小，这对大尺寸工件切割的应用非常重要。

ROFIN-SINAR系列扩散冷却板条CO2激光器的激励方式为射频激励，光束质量因子为K（M2）=0.95（1.05），其他技术参数如表3-33所示。

表3-33　ROFIN-SINAR系列扩散冷却板条CO2激光器的技术参数

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2）美国ACCESS LASER公司（大通）

美国ACCESS LASER公司1999年成立于美国西雅图，主要从事CO2激光器的研发、生产及销售。20多年来，公司从低功率CO2激光器的研发开始，至今已开发并生产平均功率100 mW～50 W、峰值功率高达1 kW的近百种射频激励CO2激光器，形成了中低功率CO2激光器全系列产品线。在同类产品中，ACCESS LASER公司的产品以分体设计的结构特点、超稳定的高技术指标、超脉冲的良好工作模式及在一定波长范围的谱线可调的技术特色著称，其中多项技术至今无人突破。

CO2激光器的应用领域十分广阔。ACCESS LASER公司通过和各领域的专家、学者的合作，已经将产品广泛地应用于众多高尖端领域，包括航空、探测、材料加工、微处理、表面处理、生物科技、军事以及医疗等。其产品经过20年的发展，已经覆盖全球30多个国家和地区。

ACCESS LASER公司研发了380ns脉宽的短脉宽激光器，其技术参数如表3-34所示。

表3-34　ACCESS CASER 380ns脉宽的短脉宽激光器的技术参数

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3）美国Synrad公司（新锐）

始建于1984年的美国Synrad公司以发展可靠、易用和低成本的工业激光解决方案为其唯一使命，如今作为全球领先的封闭式CO2激光器提供商，Synrad公司正向着自己的第四个十年迈进。

Synrad公司首创“全金属管”技术，开创了密封式CO2激光器诸多工业应用的先河。其在性能、可靠性、使用寿命和成本方面，一直保持了在工业方面的领先。

Synrad公司生产的激光管，其坚固的箱体设计给激光谐振腔提供了超稳定的平台。全金属密封设计和专属的制造方法确保了最高的气体纯度，从本质上延长了工作寿命。在世界范围安装了70000台激光器后，Synrad公司是唯一能以其工作寿命超过45000小时（之后，仅需简单和廉价地充气后就可完全正常工作）的CO2激光器而自豪的厂商。Synrad公司生产的激光器能够以0～100%的占空比工作，以信号的脉冲宽度调制（PWM）来控制激光功率，直接通过TTL信号控制（后面板BNC接入）。另外，也可以用DB-9连接提供远程控制来实现所有的功能，如激光控制、故障状况监测、远程自锁、故障停机等。

Synrad p系列高性能脉冲CO2激光器切割速度更快，钻孔完美无瑕，微加工精度高。利用脉冲技术多次提供比标准连续波激光功率电平大的峰值脉冲功率电平，p系列将切割、钻孔和射孔应用扩展到了更广泛的材料，包括膜、高性能纺织品、某些金属和高科技复合材料。Synrad p系列CO2工业激光器提供了近乎完美的光束质量，部分原因在于光圈前的内部光束调节，可将光束聚焦到一个窄点以增加激光加工细节。p系列所有型号产品均专为工业环境设计，设有内置气体吹扫端口，便于进行现场维修和保护光学窗口。p系列设定了脉冲式CO2激光器在转换、电子和包装等行业的性能标准。

Synrad公司5～100 W系列和100～400 W系列的CO2激光器市场份额非常大，国内进口非常多，其性能参数如表3-35、表3-36所示。

表3-35　Synrad p系列100 W、150 W CO2激光器性能参数

表3-36　Synrad p系列250 W、400 W CO2激光器性能参数

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4）德国TRUMPF公司（通快）

德国通快集团具有80多年的机床生产历史，是全球制造技术领域的领导企业之一，其总部位于德国迪琴根。从加工金属薄板和材料的机床，到激光技术及电子领域，通快公司正以不断的创新引导着技术发展趋势。通快公司正在建立新的技术标准，同时致力于开辟更新更多的产品给广大用户。

德国通快公司在CO2激光器方面主要有两类产品，一类是2～20 kW的高功率轴快流CO2激光器，另一类是用于EUV驱动光源的高功率短脉宽CO2激光放大器。

（1）高功率轴快流CO2激光器。

通快公司的TruFlow系列CO2激光器（见图3-28）一直作为通用型标准材料加工工具在工业中使用。流动式激光器能可靠且低成本地切割、焊接和处理二维或三维零件的表面。10.6μm波长和2～20 kW的大功率范围为材料种类与厚度的选择提供了很大的自由，这样TruFlow激光器不仅可以加工金属，还能加工有机材料、复合材料和玻璃。

图3-28　Tru Flow激光器

图3-29　Tru Flow激光器结构坚固紧凑

TruFlow激光器结构坚固且紧凑，如图3-29所示，它的高激光功率和良好的光束质量直接取决于谐振腔的长度。Tru Flow激光器的特殊结构可将数米长的放电管纳入正方形循环回路的两个层面上。而且，由于系统几乎封闭，使TruFlow激光器成为能承受热负荷与机械负荷的紧凑型光源，以适应日常工业环境。

TruFlow激光器是高承载能力的多面手，即使在极为恶劣的条件下，它也能以高可用性非常经济地工作。其功率范围从2000 W延伸至20000 W。因此，这款激光器能覆盖广泛的应用领域，如图3-30所示。

图3-30　Tru Flow激光器应用广泛

Tru Flow激光器的基本校准可在整个使用寿命中得以保持，它的谐振腔在洁净室内组装，并在此进行基本校准。归功于获得专利的支座，光束偏转镜在整个寿命期间都能保持稳定，不形变。同时，系统可排除温度对调整的影响，谐振腔的所有机械与光学组件都直接或间接经水冷却。特意为Tru Flow系列产品开发的冷却器使冷却水温度恒定保持在±0.5℃，从而确保最佳的参数稳定性，如图3-31所示。

图3-31　Tru Flow激光器稳定性好

Tru Flow激光器可实现集成的封闭式光束成形，如图3-32所示。用于光束成形的光学元件可直接集成在激光器内以节省空间，例如移相器、圆偏振器、直径调节镜或扩束镜。通过这种方式可以个性化调整输出光束。封闭式结构不仅使光学组件保持洁净，还使激光功率及焦点几何形状保持绝对恒定。

图3-32　Tru Flow激光器封闭式结构

Tru Flow激光器具有无磨损的气体循环装置，凭借高达60000 rpm的转速，涡轮离心式鼓风机可产生独一无二的气流速度，借此为电激发能高效率地转化成激光功率创造前提。集成式鼓风机采用磁轴承工作，由此避免谐振腔内室与外界之间接触并使系统无磨损工作。另外，磁性技术能避免鼓风机在断电或紧急停机时损坏，防止润滑剂造成污染。这是相对于机械驱动装置的另一优点。

（2）EUV驱动光源——高功率短脉宽CO2激光放大器。

无论是移动终端设备、自动驾驶还是人工智能，伴随着数字世界的微型化和自动化，对计算机性能的要求逐渐提高，越来越多的晶体管需要嵌入芯片组内部的半导体中。集成电路的晶体管数量每隔18个月左右增加一倍，这条著名的“摩尔定律”在今天仍然有效。当前已能实现1 mm2装下1亿晶体管的集成密度，半导体结构的尺寸越来越接近原子级。制造芯片时，通快公司的高功率激光放大器发挥了关键作用，因为借助它可生成发光等离子体，从而提供极紫外光（EUV）曝光晶圆。通快公司与著名合作厂商紧密协作，研制出独一无二的CO2激光系统。全球最大的光刻系统制造商ASML公司作为集成商，提供扫描仪和生成金属微滴的组件，EUV镜头则来自镜头制造商蔡司。该设备可每秒加工100多个晶圆，足以实现批量生产，如图3-33所示。

图3-33　ASML公司的EU V光刻机

现代计算机芯片通常以纳米级构建，只能借助激光器经由复杂的曝光工艺进行生产。在这方面，采用准分子激光器UV激光束的传统方法越发受限。低于10 nm范围的更小结构尺寸无法通过当前使用的工艺制造。这种精细结构需要更短波长的曝光，也就是极紫外光范围的光束。

EUV光刻的巨大挑战在于产生13.5 nm的最佳波长辐射。通过激光照射产生发光的等离子体，可以提供这种波长极短的辐射。但如何产生等离子体呢？如图3-34所示，发生器使锡液滴落入真空室③，接着来自通快的脉冲式高功率激光器①击中从旁飞过的锡液滴②，每秒50000次。锡原子被电离，产生高强度的等离子体。收集镜捕获等离子体向所有方向发出的EUV辐射，将其集中起来并最终传递至光刻系统④以曝光晶片⑤。

图3-34　激光脉冲电离锡液滴产生极紫外光示意图

通快公司研制的如图3-35所示的脉冲式CO2激光系统（通快激光放大器）可提供用于等离子体辐射的激光脉冲。这款高功率激光系统基于连续波CO2激光器的技术，功率范围超过10 kW。在5个放大级别中，它可将平均功率为数瓦的CO2激光脉冲放大10000多倍，输出超过数十千瓦的平均脉冲功率。其中脉冲峰值功率达到数百万瓦。通过激光束生成、放大以及光束传导和锡滴，通快组件推动了光刻流程。极为迅速的批量投产周期以及满足特殊客户要求不仅带来技术难关，促进推出越发独特和全新的解决方案，还让研发人员、服务工程师和生产人员鼓起干劲。

图3-35　通快公司研制的CO2脉冲式激光器

5.中红外激光器

中红外工业激光器主要应用在手术医疗、塑料切割焊接以及其他非金属材料加工等领域。

1）中红外光纤激光器

（1）连续光中红外光纤激光器。

相比1μm及1.5μm波段光纤激光器来说，2μm波段光纤激光器特别是高功率2μm光纤激光器产品较少。高功率连续光中红外激光主要基于掺Tm光纤激光器实现，功率为几十瓦至几百瓦不等，波长为2μm左右。产品以美国IPG公司掺Tm光纤激光器为代表，如图3-36所示，其性能参数如表3-37所示。

图3-36　IPG公司掺Tm高功率光纤激光器

国内高功率中红外光纤激光器产品不多，目前少数几家公司的产品在输出功率等参数上与国际同类型产品基本持平。国内代表性产品的性能参数如表3-38所示，产品如图3-37所示。

表3-37　掺Tm光纤激光器性能参数

表3-38　国内代表性高功率中红外光纤激光器性能参数

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图3-37　深圳富通激光股份公司掺Tm光纤激光器

（2）调Q/纳秒中红外光纤激光器。

这种类型光纤激光器产品不多，主要以德国Activefiber公司为代表。Activefiber公司产品性能参数如表3-39所示。

表3-39　Activefiber公司产品性能参数

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国内该类产品也不多，其中南京诺派激光公司的产品性能参数如表3-40所示。

表3-40　诺派激光公司产品性能参数

（3）超快中红外光纤激光器。

超快中红外光纤激光器功率普遍不高，大部分产品的功率为瓦级，以美国Thorlabs公司为代表。高功率2μm超快光纤激光放大器以德国Active Fiber公司产品为代表，功率可以达到几十瓦量级，Thorlabs公司和ActiveFiber公司代表性产品的性能参数如表3-41、表3-42所示，产品如图3-38、图3-39所示。

表3-41　Thorlabs公司产品性能参数

表3-42　Active Fiber公司产品性能参数

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图3-38　Thorlabs公司2μm光纤激光器

图3-39　Active fiber公司2μm光纤激光器

国内该类产品多为低功率输出，例如诺派激光的产品，其性能参数如表3-43所示。

表3-43　诺派激光产品性能参数

2）固体中红外激光器

（1）连续光固体中红外激光器。

以IPG公司产品为代表，该类激光器采用Cr：ZnSe/ZnS块状晶体作为增益介质，提供1.9～3μm范围内单频连续中红外激光，其性能参数如表3-44所示。

表3-44　产品性能参数

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（2）纳秒/微秒中红外固体激光器。

美国MegaWatt Lasers公司的R4X125C2-CTH利用Ho：YAG作为增益介质，闪光灯作为泵浦，产品性能参数如表3-45所示。

表3-45　R4X125C2-CTH产品性能参数

MegaWatt Lasers公司R4X100C2-ER利用Er：YAG作为增益介质，闪光灯作为泵浦，产品性能参数如表3-46所示。

表3-46　R4X100C2-ER产品性能参数

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IPG公司开发了光纤泵浦纳秒脉冲混合激光器，它采用Ho：YAG作为增益介质，可提供2.09μm的波长，10～50 ns的脉冲，脉冲能量高达50 mJ，输出功率高达80 W。声光或被动调Q型Ho：YAG光学头由IPG公司生产的高效且可靠的掺铥光纤激光器泵浦。HLPN 2.09μm脉冲激光器适合非金属材料加工、科研和医疗应用。产品性能参数如表3-47所示。

表3-47　产品性能参数

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IPG公司生产的光纤泵浦纳秒脉冲混合激光器HLPN-2050/2060系列固体激光器和光纤泵浦Ho：YLF激光器，可根据用户要求提供2～8次谐波的非线性转换。产品性能参数如表3-48所示。

表3-48　产品性能参数

IPG公司提供的Fe：ZnSe/ZnS中红外纳秒脉冲激光器，可供客户在3.6～5.0μm范围内选择固定频率或可调谐型号。产品可提供高达1 mJ的脉冲能量，脉宽2～20 ns，脉冲重复频率高达1 kHz。与该波长范围内的其他中红外激光器不同，这些激光器不需要低温冷却。激光器由IPG公司提供的高效且可靠的掺铒或掺铥光纤激光器泵浦。产品性能参数如表3-49所示。

表3-49　产品性能参数

德国Pantec公司提供医疗领域所使用的微秒脉冲激光器，产品参数如下。

●操作模式：脉冲。

●波长：2020 nm。

●重频：500 Hz。

●输出功率：DPM-25（Tm：YAG-20W），DPM-100（Tm：YAG-40W），DPM-100（Tm：YAG-80W）。

●脉冲宽度：100～500μs。

●脉冲能量：DPM-25（Tm：YAG-200mJ），DPM-100（Tm：YAG-（0.5～4）/（0.4～3.2）J），DPM-100（Tm：YAG-（1～8）/（0.8～6.4）J）。

●光束质量与RMS：DPM-25（Tm：YAG-M2＜20），DPM-100（Tm：YAG-M2＜30），DPM-100（Tm：YAG-M2＜40）。

长春新产业公司提供MPL-N-2600/AO-V-2600的性能参数如下。

●操作模式：声光调Q。

●波长：（2096±2）nm。

●重频：10 kHz。

●输出功率：1～15 W。

●脉冲宽度：25 ns。

●光束质量与RMS：RMS＜3%（MPL-N-2600），RMS＜5%（AO-V-2600）。

3）超快固体中红外激光器

以IPG公司为代表，采用Ho：YAG、Cr：ZnSe/ZnS等材料作为增益介质，实现2～3μm波段的超快中红外激光输出。国内相关产品很少。

（1）Ho：YAG。

产品性能参数如表3-50所示。

表3-50　产品性能参数

（2）Cr：ZnSe/ZnS。

产品性能参数如表3-51所示，产品外形如图3-40所示。

表3-51　产品性能参数

6.极紫外相干光源

高次谐波（HHG）和X射线激光是产生相干极紫外辐射的重要途径。尽管相比光刻用LPP极紫外光源存在亮度和输出功率的差距，但高次谐波等相干光源具有出色的定向性和相干性，非常适合集成电路纳米结构的在线检测。

图3-40　Cr：ZnSe/ZnS增益介质激光器

高次谐波的产生原理是飞秒激光电离气体等靶材形成的等离子体，自由电子在飞秒激光光场中锁相加速运动，再与原子核复合释放出高定向性的阿秒脉冲序列。为了获得更高亮度的高次谐波极紫外光源，须研究非线性介质中极紫外辐射与激光相位匹配和参量放大的物理规律；研究高次谐波聚焦、波前控制等关键技术，以实现极紫外波段高质量光场聚焦和空间相位调制；研究高次谐波偏振状态控制及其在材料界面和薄膜反射、透射、椭偏测量中的应用；研究高次谐波产生过程的全光学相干调控，以测量和优化极紫外光源时空和光谱结构。在高次谐波和激光产生等离子体（LPP）研究基础上，开展高价态离子高次谐波和X射线激光放大研究，有望实现高亮度、高准直性相干极紫外光源。

基于高次谐波的桌面型极紫外飞秒激光光源具有良好的时空相干性。目前千赫兹重频低平均功率的钛宝石固体激光放大器是主流高次谐波泵浦源。例如，2014年美国劳伦斯伯克利国家实验室利用50 kHz重频钛宝石激光泵浦源产生了微瓦功率极紫外高次谐波（40 nm附近单阶）。飞秒激光增强腔无源放大技术可以将极紫外高次谐波重频提高到百兆赫兹量级，2018年美国科罗拉多大学J.Ye课题组实现了97 nm波长单阶次高次谐波2 mW平均功率输出。然而，受限于等离子体积累和输出耦合效率，增强腔高次谐波转化效率较低。半导体激光器直接泵浦的掺Yb光纤飞秒激光的快速发展为高通量极紫外飞秒激光提供了更可靠的泵浦源。2016年，德国耶拿大学利用平均功率120 W的300 fs光纤激光器驱动高次谐波，实现57 nm波长单阶谐波1 mW平均功率输出。2021年，该课题组利用200 W光纤激光结合非线性压缩技术，在1 MHz重频下实现46.8 nm单次谐波12.9 mW平均功率输出。

为了实现高平均功率极紫外飞秒激光光源，还要解决高次谐波宏观传输效应问题，以提高转化效率。法国波尔多大学于1999年提出宏观传输效应的理论模型，明确了相位匹配和自吸收效应对高次谐波转化效率的影响机制。之后基于松散聚焦、激光自波导、空芯波导等激光宏观传输方式的相位匹配和准相位匹配方案被相继提出。美国科罗拉多大学Kapteyn& Murnane课题组长期利用空芯波导气体靶设计方案实现（准）相位匹配，是在低重频条件下提高“水窗”和千电子伏软X射线转化效率的有效手段。德国马克思·普朗克量子光学研究所于2007年验证了多个气体靶构建周期性调制气体密度的方案，实现了高次谐波准相位匹配。然而上述方案结构复杂，难以应用于高重频高次谐波光源。2018年，以色列特拉维夫大学引入高斯-贝塞尔复合光场驱动高次谐波，该方法在自由空间中实现准相位匹配，将高次谐波转化效率提高2个数量级，且结构简单灵活，适用于高重频高次谐波光源。

高平均功率极紫外高次谐波相干光源在晶圆和掩模版缺陷检测和纳米结构测量领域应用价值巨大。荷兰ASML公司近年来申请数十项专利，提出了结合传统长波光源和极紫外高次谐波相干光源进行逻辑电路晶圆混合光学测量，以及基于极紫外高次谐波的晶圆缺陷检测方案。利用千赫兹量级低重频高次谐波光源，日本兵库大学研究团队基于高次谐波极紫外光源实现了掩模版100 nm周期性孔洞结构成像，美国科罗拉多大学利用高次谐波光源实现半导体纳米结构反射式相干叠层衍射成像实验，然而低重频技术难以满足产业界对检测效率的需求。利用高重频高次谐波极紫外飞秒激光光源，检测效率作为最重要的技术指标对检测策略提出新要求。传统叠层衍射技术普遍采用的步进扫描数据采集方式难以满足晶圆缺陷检测；此外针对晶圆缺陷检测微米-纳米跨尺度问题，现有数据处理方法针对微米级缺陷会造成数据冗余和浪费。需要发展基于高重频极高次谐波紫外光源的晶圆缺陷高效率检测数据采集和处理策略。国外相干极紫外光源研究进展和产业化情况如表3-52所示，目前国内在这方面的研究尚处于空白。

表3-52　国外相干极紫外光源研究进展和产业化情况（国内尚处于空白）

激光等离子体极紫外光源研究的最终目标是实现高功率输出，应用于新一代集成电路光刻工艺与设备。以这一目标为牵引，可以在光源研究中间阶段产生较低功率非相干或相干极紫外光源，应用于集成电路极紫外光刻和其他制造工艺的在线检测。

激光极紫外光源本身也是交叉学科研究的重要工具。利用高次谐波极紫外光源具有阿秒尺度（10～18 s）单脉冲宽度的特性，阿秒光学和阿秒物理研究原子尺度电子运动的动力学规律，可以为原子、分子、固体等不同体系中电子跃迁和电子结构演化拍摄“电影”，正在成为当前超快科学研究的热点。利用极紫外和软X射线短波长特性，可以利用2.3～4.4 nm波段“水窗”极紫外光源对生物细胞进行高分辨率成像研究，解决现有生物成像技术难以获取活体信息和功能信息的不足。