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奥创光子新款飞秒光纤激光器助力医美领域

激光医美技术的发展,其实是人们对激光与物质作用机理认知的延伸。从传统的光热作用机制祛斑、除痣、去纹身到基于皮秒激光脉冲的半吸收半机械作用祛斑和美白,激光技术的突破和创新将不断在庞大的医美市场上显现出新的应用潜力。

尤其是超短脉冲激光技术的逐步成熟,其特有的绝热光机械作用机制实现了极低热附带损伤,同时具备极高的物质销蚀精度,因而已在眼科手术领域率先获得了推广应用,成为近视眼手术最安全的终极治疗方案。

在医美领域,随着皮秒医美设备和超皮秒医美技术的日渐成熟,医美专家和皮肤美容消费者愈发倾向于使用副作用小、痛觉弱、治疗周期短的超短脉冲激光医美,这是超快激光拓展医学应用的第二大战场,市场前景可观,同时也促进了超快激光与皮肤作用机理的深入研究和新技术开拓。作为脉冲持续时间更短的飞秒超快激光,它具有比皮秒激光更小的热效应,更高的瞬时峰值功率,具备了用户体验感更佳的美白、祛斑应用潜力,由于飞秒激光美白应用无需高能量,它甚至可以推广到便携式医美设备中。
从飞秒脉冲与组织作用机理出发,实验研究初步确定了近红外飞秒激光在数十微焦能量下,就可以实现对真皮层的小尺度机械式微损伤,刺激皮肤组织启动修复机制或消除局部色素体,这个激光能量强度可以采用光纤激光器来实现,光纤激光器特有的高集成度、低功耗、高稳定性特征也恰好是医疗和医美应用的理想光源。
奥创光子新近研发出的高紧凑型全光纤飞秒激光器正是针对飞秒医美的用途,提供了近乎免维护的高稳定性、高度环境适应性的微焦级飞秒激光光源,其窄脉宽和高光束质量能够支持高达1013W/cm2的峰值功率密度,足以激发光致等离子体效应,实现皮下组织的微区域光致爆破效应。
该激光器的开发遵循简洁、紧凑、稳定可靠的原则。其光路结构除了脉冲压缩器,均为全光纤器件熔接为链式系统,包括脉冲展宽器也是采用啁啾光纤光栅,置于锁模种子源和光纤放大器之间;光纤放大器包括了多级高增益放大器,构成MOPA结构,最末级光纤放大器采用大模场保偏双包层光纤放大器,确保了高能放大脉冲时域保真性;脉冲压缩器采用免调节的体布拉格光栅,所提供的大色散量足以补偿光纤CPA的输出脉冲啁啾,获得飞秒脉宽。激光器结构设计严格控制体积重量,全光纤化的光路架构实现了不同放大级的多层盘绕结构,大大减小了光学器件占用空间;温控精度0.1℃的水循环散热设计相比风扇冷却更安静,有利于医疗环境使用,同时也保持了激光系统在不同室温条件下的稳定性。
作为医疗设备核心部件,激光器的电气系统设计依据了医用电气设备的电磁兼容要求,即YY9706.102-2021标准,在供电和控制电路设计、电气排布封装等方面对射频干扰、电压波动、静电影响做了充分考量和预案设计,并保持一定的冗余量,确保激光器进入医疗应用环境能够正常操控。医用激光器安全性考量,需要满足激光器的报警功能和可用性,目前国际医疗激光设备市场的大多数激光光源都具备了输出强度自检功能,我们为该激光器的内部监测系统设计了输出功率精确实时监测装置以及对应的软件自动报警功能,使该激光器在开启时、运行中都能实时向用户或监测计算机报告激光器的实际输出状态。
该激光器的光学参数如下表1。其激光头重量控制在小于20千克,外形三视图如图1。对应的几项主要输出参数测量数据和图表见图3。其中最窄脉宽的获得来自于对啁啾脉冲色散补偿量的优化,在该激光器的色散管理方案中,由于脉冲压缩器是固化了色散参量的光栅,精确补偿色散依靠对脉冲展宽器的微量调谐,即采用温度调谐并结合增减传导光纤的措施来实现脉冲正啁啾与压缩器负色散的完全平衡。

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表1.  医美用高紧凑型飞秒光纤激光器光学技术指标

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图1. 高紧凑型飞秒光纤激光器外观三视图

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图2. 高紧凑型飞秒光纤激光器实物照片

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图3. 高紧凑型飞秒光纤激光器
关键光学指标实测数据记录

奥创光子自2018年创立以来,公司已申请140余项专利,已掌握了高能高功率飞秒脉冲放大技术、啁啾体布拉格光栅色散补偿技术、波长转换等关键核心技术,结合自主设计制造的超快种子源、温度调谐式啁啾光   纤光栅等核心器件已成功推出系列化飞秒激光器产品,并在国内率先实现工业领域批量出货,打破了该领域被国外产品长期垄断的局面。目前奥创光子不断迎合当前市场对于航天航空,新能源锂电,电子消费等高端精密行业的发展节奏壮大自身,不断为先进制造产业转型升级夯实基础,促进发展。


















来源 : 奥创光子 发布时间 : 2023-10-26

微型有源涡旋光激光器

近日,上海理工大学光子芯片研究院董毅博以第一作者身份在国际知名纳米学期刊《纳米快报》(Nano Letters)上发表了题为“纳米打印集成衍射层的具有可扩展拓扑荷数的垂直腔面发射涡旋光激光器”(Nanoprinted Diffractive Layer Integrated Vertical-Cavity Surface-Emitting Vortex Lasers with Scalable Topological Charge)的研究成果。该成果由光子芯片研究院顾敏院士、方心远副教授团队和中国科学院微电子研究所合作完成,顾敏院士、方心远副教授、中国科学院微电子研究所潘冠中副研究员、荀孟副研究员为本文通讯作者,上海理工大学为第一单位。 

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随着人工智能、大数据的飞速发展,人类每日产生的数据量也在指数增加,实现高容量的信息复用是应对未来高数据吞吐量应用的有效途径。具有螺旋相位波前的涡旋光携带有轨道角动量,而轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)具有的无穷正交特性可被用于各种光学信息复用技术中,来大幅提高信息容量,包括光通信、全息术、光学人工智能、光学加密、光存储等。

涡旋光激光器作为轨道角动量光学信息的发射装置被广泛研究。其中,实现片上、微型的涡旋光激光器对于涡旋光复用技术的芯片化、集成化发展至关重要,能够真正推动这些技术的产业落地。但是,现有的有源微型涡旋光激光器难以产生高阶涡旋光(拓扑荷数普遍小于5),其关键原因是光源的出光面积有限,导致集成的轨道角动量相位结构的分辨率不足,制约了空间带宽积的提高。拓扑荷数越高代表了可能实现的轨道角动量信息复用的通道数越多,因此,这一问题严重制约了轨道角动量片上信息复用的容量提升。

本研究中,作者提出了一种基于激光纳米三维(3D)打印集成轨道角动量相位结构的垂直腔面发射涡旋光激光器,具有体积小、高速度、低阈值、圆形光场、垂直出光、可阵列化的优势。作者通过激光打印微型的轨道角动量相位结构集成在垂直腔面发射激光器表面,从而使激光器发出的高斯光束经过相位结构的调制后变为涡旋光束。激光打印的方法可以扩大轨道角动量相位结构有效光照面积,从而可增大空间带宽积。同时,激光3D打印比此前方法具有较高的制造效率,单个器件的打印仅约为20分钟,而此前方法约为数小时。文章中,作者实现了拓扑荷数从1到5的可寻址涡旋光激光器阵列,单个器件尺寸仅约为100微米×100微米。


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本文中作者通过设计3D结构的、级联的螺旋相位板(SPP)进一步来提高空间带宽积,成功实现了最大拓扑荷数为15的涡旋光束。该研究解决了微型涡旋光激光器拓扑荷数提高的问题,有望推动轨道角动量信息复用技术的小型化、集成化发展。 


来源 : 光行天下 发布时间 : 2023-10-25

3D打印激光照明透明陶瓷研究取得新突破

近期,中科院上海光机所红外光学材料研究中心在3D打印激光照明透明陶瓷研究方面取得进展——该工作通过数字光处理打印技术(DLP)实现了3D打印用于激光照明的透明陶瓷,突破了传统陶瓷成型工艺的限制。该成果发表在“国际陶瓷”(Ceramics International)期刊。


LED照明具有节能、污染小、效率高、寿命长等优势,但超过一定电流后会出现效率下降现象。激光照明系统能够在较高的功率密度下实现高输出效率(100-1000倍于LED),使得激光驱动的照明系统可为未来的固态照明提供优势,如高亮度、紧凑尺寸和定向照明。但是该系统光学结构的激光驱动固态照明器件非常复杂,3D打印成为有力的解决方案。


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(a)DLP三维打印透明陶瓷坯体示意图;打印的LuAG:Ce陶瓷坯体照片:(b)蜂窝、(c)最小表面、(d)超半球和(e)不同尺寸的超半球。(f)3D打印LTC的烧结过程示意图;(g)激光照明装置;(h) 日光下放置在 "SIOM "字母上的抛光后3D打印LTC;(i)透光率光谱;(j)封装在LD照明芯片中的烧结超半球3D打印LTC。


DLP是一种光聚合增材制造技术,它使用数字投影仪逐层固化墨水,以创建具有复杂形状的物体。它可以同时固化整个层,因此可以实现快速生产。它还支持高分辨率打印,允许创建复杂而详细的对象。


此前,用于激光驱动SSL的透明陶瓷3D打印尚未得到探索。本次研究中,上海光机所科研人员开发了用于DLP的光固化陶瓷墨水,用于制造具有高印刷分辨率的激光驱动照明铈活化镥铝石榴石(LuAG:Ce)发光透明陶瓷组件。用于DLP印刷的墨水,具有高达50vol%的固含量和优异的剪切稀化性能。研究在DLP墨水中引入了发光染料,以减少陶瓷粉末对紫外线的散射所产生的过量固化宽度效应。此外,研究人员通过在脱脂过程后加入预烧结步骤,即辅助两步烧结法进一步增强了生坯的强度——3D打印陶瓷组件烧结完成后的相对密度达到96.4%,并展现出优秀的透光率(约40%)。


最终实验表明,具有自由几何结构设计和高激光通量阈值的LuAG:Ce LTCs三维打印技术的应用,为大功率激光驱动照明提供了更高效、更可靠的解决方案。



来源 : 上海激光所 发布时间 : 2023-10-24

网传以色列动用激光武器拦截火箭弹,激光武器即将走向战场?

以色列军队可能加速部署“铁束”激光武器,以应对火箭弹的袭击。


据《环球时报》援引外媒报道,为了应对哈马斯的火箭弹,以色列正在加速部署“铁束”激光武器系统,这款防空系统原计划在2025年服役。

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以色列研制的“铁束”激光武器。

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    “铁束”上场?



一段流传在网络的视频显示,巴以冲突中,夜空中几道光闪过,出现多个亮点,疑似火箭弹被地面武器系统发射的光束拦截。这段时长为60秒的视频在发布后数小时后引发热议,多个媒体报道称,以色列在巴以冲突试验性地使用了激光武器,用于拦截来袭的火箭弹。

但之后又有媒体报道称,上述视频是用电脑游戏《武装行动3》(Arma 3)素材制作的,开发这款游戏的捷克波西米亚工作室称,这款游戏的背景是未来战争,很容易被一些玩家录制后制作视频。

由于以色列官方没有公开相关信息,视频真实性不得而知,但在笔者看来,以色列在冲突中试验性地使用激光武器也是有可能的事情,因为,这次哈马斯采用的火箭弹饱和攻击战术确实让“铁穹”系统黯然失色。哈马斯7日宣布对以色列采取代号为“阿克萨洪水”的军事行动,在短短36个小时内向以色列境内发射至少5000枚火箭弹,而2021年的冲突11天才发射4000多枚,这次“铁穹”系统虽然也拦截了不少哈马斯发射的火箭弹,但也有一些没有被拦截。

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网络上流传的巴以冲突中以色列使用激光武器拦截火箭弹的视频截图。

“铁穹”系统具备多目标交战能力,系统的EL/M-2084雷达能同时发现和锁定约200个目标,具有较强的多目标处理能力,而且能够识别没有威胁的火箭弹,“塔米尔”拦截导弹采用指令修正和末段主动雷达寻的复合制导方式,但是每个发射器只能够容纳20枚火箭弹,火力通道还是有限制,因此,这次面对密集袭击也会出现难以招架的情况。在这种情况下,以色列加速部署“铁束”激光武器系统是应对密集攻击的重要途径之一。

“铁束”是以色列拉斐尔公司在2014年启动研制的一款机动式高能激光武器,主要用于拦截火箭弹、迫击炮弹和无人机等目标。“铁束”系统采用100千瓦级光纤激光器,部署在车载平台上,最大射程10千米左右。整个系统包括空情雷达、指挥室和激光发射器,系统的核心是两个移动激光发射装置,可安装在标准集装箱内,配备供电系统和辅助设备。激光作战功率可根据实际任务进行调整,按需确定能量,拉斐尔公司的测试数据显示,该防空系统的拦截成功率达90%。

“铁束”系统通常与常规动能防空系统协同工作,由指挥控制系统选择合适的武器来拦截来袭目标。

2014年2月,“铁束”激光武器系统开始正式亮相,2021年,以色列使用“铁束”系统击落了一架无人机。2022年4月,以色列国防部宣布成功在2022年3月于内盖夫沙漠进行的试验中,使用“铁束”系统拦截了来袭的火箭弹、迫击炮弹和无人机等。按照计划,“铁束”系统将于2025年开始部署,未来还将推出机载和舰载版本的“铁束”系统。

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目前,以色列正在测试“铁束”系统,计划在2025年列装。

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    激光武器即将走向战场?



虽然美国在上世纪60年代就研制成功了世界上第一台激光器——红宝石,但高能激光的军事应用更多停留在影视剧中,在军事领域中,低能激光武器应用最为广泛,比如激光测距、激光通信、激光制导武器等都是采用低能激光。相对于低能激光器,高能以强激光的激光器为核心,利用激光作为能量毁伤目标或使之失效,技术难度更高。

目前,一般认为平均输出功率≥20千瓦称为高能激光武器。高能激光武器是利用激光的高能量密度特性来烧蚀被照射目标,从而实现对被照射目标的毁伤或去功能化。高能激光武器对目标的毁伤或去功能化是一种综合破坏的过程,其会产生三种效应:烧蚀效应、激波效应和辐射效应。

激光武器的优势是成本低和多目标交战能力强,单次拦截成本仅为几美元,拦截时还不会产生碎片,附带毁伤小,非常适合用于拦截小型无人机、火炮弹药等目标。2022年6月,时任以色列总理贝内特在接受采访时表示,相比“铁穹”防御系统10~15万美元的成本,“铁束”系统每次拦截成本仅为3.5美元左右。

和传统火炮等动能武器发射有质量的“弹”不同,高能激光武器发射的“弹”是没有质量或基本上可以忽略不计的。由于激光接近以30万千米/秒速度传播并接近直线传输,超快的速度使激光束从发射到命中目标需要的时间非常短。因此高能激光武器在攻击目标时一般不需要计算拦截目标的提前量,可以做到指哪打哪,射击精度高,非常适合拦截高速或高机动目标。

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美国也加快了高能激光武器列装部队的步伐,图为美国陆军计划列装的DE-MSHORAD机动式高能激光武器系统。

“铁束”激光防空系统发射后4至5秒内可摧毁空中目标,有效射程约7千米,是应对火箭弹密集袭击的主要武器,可与“铁穹”防空系统协同作战,拦截漏网之鱼。而且与常规导弹拦截系统相比,激光武器系统拦截附带毁伤小,同时便于瞄准和锁定目标,失误后也不影响作战结果,但缺点是易受气象条件影响。

随着高能激光武器技术的发展,机动式激光武器的发展越来越受重视,美国、俄罗斯和德国等国都展示了正在研制或已经研制成功的战术机动式激光武器。美国陆军目前正在测试名为DE-MSHORAD机动式高能激光武器系统,系统集成在 “斯崔克”轮式装甲车上,最大功率为50千瓦,能够用于对付火箭弹、无人机等目标。此外,美国陆军还致力于在2024年左右部署300千瓦的间接火力防护能力——高能激光器(IFPC-HEL)车载激光器。50千瓦Stryker战车将主要用于反无人机和空中来袭弹药,配备300千瓦激光器的IFPC-HEL系统可能会用来直接摧毁巡航导弹。

德国是欧洲激光技术发展最快的国家,其研制的激光武器已经进行了多次成功拦截小型无人机试验。莱茵金属公司研制的激光武器功率分为30千瓦、50千瓦和60千瓦等,激光发射器集成在“天空卫士”炮塔上,并使用“天空卫士”的探测和指挥控制系统,可固定部署或集成到车辆平台上进行机动部署。

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高能激光武器走向战场已经为时不远。

去年5月,俄罗斯副总理鲍里索夫表示,俄军在乌特别行动中动用了新一代“ 寻衅者”军用激光系统。鲍里索夫表示,现有的“佩雷斯维特”(Peresvet)激光系统能够“致盲”敌人的设备,功率更强的新一代激光系统则能基于热破坏原理“烧毁”敌人的设备。将这种激光系统投入使用能够减少“铠甲”、“道尔”的防空系统的导弹消耗。俄罗斯副总理此前表示,俄方测试了一种激光系统,其能在5秒内摧毁无人机,射程5公里。

我国在激光武器发展方面也取得了令人瞩目的成绩,多款激光武器在防务展上公开展示。比如在珠海航展上,中国航天科工集团向外界展示了LW-30激光防御系统。根据展板介绍,其使用的激光武器输出功率30千瓦,系统主要用于野战防空或要地防空,具有对无人机等典型目标的硬杀伤能力,兼具光电探测与制导设备软硬杀伤能力。该激光武器系统可单车作战或多车组网作战,具有打击精度高、响应速度快、使用成本低和持续作战能力强等优势。

从外形上看,LW-30激光防御系统安装在一辆6轮高机动卡车底盘上,车上有一个车厢,激光发射装置安装在车厢上方,激光发射装置集成了光电跟踪瞄准系统,具备全向发射能力。车厢内应该配备了指挥控制系统和电源系统。据称,整个系统包括雷达指挥通信车、激光发射车和保障设备组成。


来源 : 澎湃新闻 作者: 邰丰顺 发布时间 : 2023-10-19

中国激光发展史:靠“卷”站稳,靠什么走更远?

自1960年加州实验室中首次产生“一束相干光”至今已有60余载,正如激光发明人T.H.Maiman所说,“A laser is a solution in search of a problem” ,激光作为一种工具,正逐步渗透到工业加工、光通讯、数据计算等众多领域。

身负“内卷之王”称号的中国激光企业,靠“以价换量”抢夺市场份额,却付出了利润下挫的代价。

国内市场陷入白热化竞争,激光企业转身向外、扬帆出海,寻求属于中国激光的“新大陆”。2023年,中国激光正式开启“出海元年”,在今年6月底的德国慕尼黑国际光博会上,中国超220家企业组团亮相,是除东道主德国外参展企业数量最多的国家。

轻舟是否已过万重山?中国激光如何靠“卷”站稳,又该靠什么走得更远?


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从“黄金十年”到“流血的市场”

作为新兴技术的代表,国内激光产业研究起步并不晚,几乎与国际同一时间开启。1960年世界首台激光器问世,几乎与之同时,1961年8月,中国第一台激光器在中科院长春光机所诞生。

在此之后,国际上大型激光装备企业陆续成立,激光史的第一个十年,百超、相干诞生,到70年代,II-VI、Prima先后成立,机床起家的龙头老大通快也于1977年访美考察带回一台CO₂激光器后,揭开了通快激光业务的序幕。

在产业化的赛道上,中国激光企业相对起步较晚。1993年大族激光成立,1999年华工科技成立,2004年创鑫激光成立,2006年杰普特成立,2007年锐科激光成立。这些年轻的激光企业没有先发优势,却有后发制人的冲劲。

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图:激光产业发展历程
(数据来源:公开资料整理)

过去10年,中国激光经历了“黄金十年”,“国产替代”如火如荼。2012-2022年间,我国激光加工装备行业年复合增速超10%,至2022年产值规模达862亿元。

近五年,光纤激光器市场以肉眼可见的内卷速度快速推进国产替代。国产光纤激光器市占率5年间由不足40%提升至近70%,光纤激光器的头牌美国IPG在中国市占率从2017年的53%大幅下滑至2022年的28%。

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  图:2018-2022年中国光纤激光器市场竞争格局
  (数据来源:中国激光产业发展报告)

暂且不提已基本实现国产替代的低功率市场,从高功率市场的“万瓦大赛”来看,国内厂商百舸争流,把“中国速度”展现得淋漓尽致。IPG从1996年发布全球首台10瓦工业级光纤激光器到发布首台万瓦光纤激光器耗时13年,而锐科激光从10瓦到万瓦仅用了5年。

万瓦竞赛中,国内厂商纷纷加入战局,国产化以惊人的速度推进。如今,万瓦已不再是新鲜名词,而是企业入局连续激光器圈子的入场券。三年前,创鑫激光在上海慕尼黑光博会展出2.5万瓦光纤激光器时,还一度引起交通堵塞,而今年的各类激光展会上,“万瓦”已成企业标配,甚至3万瓦、6万瓦的标签也显得稀松平常。今年9月初,奔腾联合创鑫推出全球首台8.5万瓦激光切割机,再破激光器瓦数记录。


至此,万瓦竞赛告一段落,激光切割机已经具备完全取代等离子、火焰切割等传统加工方式在中厚板领域的切割能力,再提高激光功率对切割效率贡献已不明显,反而增加成本和能耗。

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  图:2014-2022年激光企业净利率变化
  (数据来源:Wind)

万瓦竞赛大获全胜的同时,惨烈的“价格战”也给了激光行业惨痛一击。光纤激光器国产份额突破仅用了5年,光纤激光器行业“从暴利到薄利”也仅用了5年。过去5年,降价策略是国内龙头企业提升市场占有率的重要手段,国产激光器“以价换量”,涌入市场与海外厂商争锋,“价格战”逐步升级。

一台1万瓦的光纤激光器,在2017年售价高达200万元,到2021年国内厂商已将其价格压到40万元。巨大的价格优势加持,2021年第三季度锐科激光的市占率首次追平IPG,实现国产替代历史性突破。

进入2022年,随着国内激光器企业数量不断增加,激光厂商进入互相竞争的“内卷”阶段。激光器价格战主战场从1-3千瓦低功率产品段转移至6-50千瓦高功率产品段,企业竞相研制更高功率的光纤激光器。价格卷,服务更卷,部分国内厂商甚至推出“零首付”方案,免费放置设备到下游厂商进行测试,竞争趋于白热化。

 “卷”到最后,满头大汗的激光企业们却没等来一个丰收年。2022年中国市场光纤激光器价格同比下降40-80%,部分产品国产价格已经降低到进口价格的十分之一,企业主要靠加大出货量保持利润空间。国产光纤激光器巨头锐科在出货量同比大幅增长的情况下,营业收入同比下跌6.48%,净利润同比下跌超90%,大部分以激光器为主营业务的国产厂商2022年净利润均呈现大幅下跌状态。

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  图:激光器领域“价格战”趋势
 (数据来源:公开资料整理)

而海外龙头企业虽然在中国市场“价格战”中受挫,凭借自身深厚的根基,它们的业绩不降反增。

通快集团因垄断荷兰技术公司ASML的EUV光刻机光源业务,2022财年订单量从去年同期的39亿欧元增加到56亿欧元,同比大幅增长42%;高意收购相干后2022财年销售收入同比增长7%,订单额高达43.2亿美元,同比增长29%,业绩实现连续四季度超预期增长。

折戟激光加工规模最大的中国市场后,海外企业业绩依旧能创新高,国际龙头企业的激光发展之路有何值得借鉴?
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“垂直整合”vs“斜向整合”

实际上,在国内市场冲刺万瓦、发动“价格战”之前,海外龙头企业已提前完成一轮内卷,但它们“卷”的不是价格,而是产品布局,并且通过并购开启了产业链整合的扩张之路。

在激光加工领域,国际龙头企业走出了两条不一样的路径:在围绕单一产品产业链纵向一体化垂直整合的道路上,IPG快人一步;而以通快和相干为代表的企业则选择了“斜向整合”,即纵向整合和横向版图扩张“两手抓”。三家企业就此陆续开启了属于自己的时代,即以IPG为代表的光纤时代,以通快为代表的碟片时代,以及以相干为代表的气体(含准分子)时代。

IPG凭借光纤激光器独霸一方,2006年上市以来,除2008年金融危机,营业收入及利润均保持较高水平。自2008年起,IPG收购了Photonics Innovations、JPSA、Mobius Photonics、Menara Networks等一系列拥有光隔离器、光耦合透镜、光纤光栅、光模块等器件技术的厂商,向光纤激光器产业链上游进行纵向整合。

到2010年,IPG的向上垂直整合基本完成,公司取得了接近100%的核心零部件自产能力,大幅领先于竞争对手,加之在技术上先发制人,全球首创光纤放大器技术路线,IPG在光纤激光器领域稳坐全球霸主宝座。

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图:IPG产业链整合进程
(数据来源:公开资料整理)

当下,深陷“价格战”泥淖的国内激光器企业已经走入“垂直整合”阶段。向上游纵向整合产业链,实现核心部件自产,从而增强产品在市场上的话语权。

2022年,随着“价格战”日趋严重,核心器件的国产化进程全面加速。多个激光器厂商突破大模场双包层(三包层)掺镱激光器技术;无源器件自制率大幅提升;隔离器、准直器、合束器、耦合器、光纤光栅等国产替代方案日趋成熟。锐科、创鑫等龙头企业采取垂直整合路线,深耕光纤激光器,逐步通过加大技术研发和收并购实现零部件自主可控。

当绵延多年的“战火”烧尽,头部企业产业链整合进程加速,同时中小企业实现定制化方案差异化竞争,到2023年激光行业价格战趋势减弱,激光企业盈利能力显著增强,锐科激光2023年上半年实现净利润1.12亿元,暴涨412.25%,终于走出了“价格战”的阴影。

而另一种“斜向整合”的发展路径,其典型代表是通快集团。通快集团最早是机床起家,刚开始的激光业务主要是二氧化碳激光器,后来又收购了HüTTINGER(1990)、HAAS 激光股份有限公司(1991)、萨克森机床和特种机床股份有限公司(1992),扩展固体激光器和水流切割机业务,1999年推出第一台试验性碟片式激光器,从此牢牢占据碟片市场的霸主地位。

2008年,通快以4890万美金收购曾能与IPG一较高下的SPI,将光纤激光器纳入商业版图。它在超快激光器领域也动作频频,先后收购超短脉冲激光器制造商Amphos(2018年)、Active Fiber Systems GmbH(2022年),不断填补碟片、板条及光纤放大等超快激光器技术布局的“拼图”。

除了横向布局碟片式激光器、二氧化碳激光器、光纤激光器等各类激光器产品,通快集团在产业链纵向整合方面也表现出色,同时向下游提供整机装备产品,在机床领域亦占据竞争优势。

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图:通快集团产业链整合进程
(数据来源:公开资料整理)

这一路径纵向实现从核心零部件到整机装备的全线自产,横向布局多技术路线激光器产品,持续拓宽产品边界。国产激光领域龙头企业大族激光、华工科技走的正是同一条路,营业收入常年占据国内厂商第一和第二的宝座。

上下游边界模糊是激光行业的典型特征,由于技术单元化、模块化,进入门槛并不高,凭借自身基础和资本的鼓动,有能力在不同赛道“开疆辟土”的国内厂商并不鲜见。近年来,国内其他厂商也逐步加强自身整合能力,逐渐模糊产业链边界,原本上下游供应链关系渐渐演变为竞争对手,任何一个环节都竞争激烈。

高压竞争快速催熟了中国激光产业,养成了一头不惧海外对手的“猛虎”,快速推进国产化进程,但也造就了过度“价格战”、同质化竞争的“卷生卷死”局面。中国激光企业靠“卷”站稳了脚跟,未来怎么办?
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两味药方:布局新技术、开拓海外市场

靠技术创新,解决只能用低价流血换市场的问题;靠激光出海,解决国内市场白热化竞争的问题。

中国激光企业过去一直在努力追赶海外龙头的脚步。着重国产替代的背景下,每一轮大周期市场爆发都是由外企引领,本土品牌在1-2年时间内迅速跟进,在国产产品及应用成熟后实现替代。目前,依旧存在外企领先布局新兴下游产业应用,国产持续推进替代的现象。

“替代”不应止步于追求“平替”,在中国激光产业阵痛转型的当下,国内厂商的激光关键技术与国外差距逐渐缩小,正是前瞻布局新技术、寻求弯道超车,从而摆脱“以价换量”命运的好时机。

总体来看,布局新技术要找准下一个行业风口。激光加工已经经历了以钣金切割为主的切割时代、新能源热潮催化的焊接时代,下一个行业周期或将过渡到泛半导体等微加工领域,对应的激光器、激光设备将释放大规模需求,业内“赛点”也会从原来的高功率连续激光器“万瓦大赛”过渡到超短脉冲激光器“超快之争”。

具体到更为细分的领域,可关注新技术周期内新应用领域从“0到1”的突破。例如,钙钛矿电池预计将在2025年后渗透率达到31%,而原有激光设备无法满足钙钛矿电池的加工精度要求,激光企业需要提前布局新激光设备,以实现核心技术自主可控,提高设备毛利率,快速抢占未来市场。此外,储能、医疗、显示与半导体行业(激光剥离、激光退火、巨量转移)、“AI+激光制造”等前景较好的应用场景,同样值得重点关注。

随着国内激光技术、产品持续发展,激光有望成为中国企业出海的一张名片。2023年是激光“出海元年”,面对亟待突破的巨量海外市场,激光设备跟随下游终端应用厂商一同出海,尤其是中国“遥遥领先”的锂电池及新能源汽车产业,为激光设备出海带来历史性机遇。

目前,出海已成行业共识,重点企业已开始行动,积极拓展海外布局。近一年来,大族激光宣布拟出资6000万美元在美国设立子公司“绿色能源产业发展有限公司”,开拓美国市场;联赢在德国设立子公司,开拓欧洲市场,目前已与多家欧洲电池厂及主机厂进行技术交流;海目星也将重点围绕国内外电池厂及整车厂的海外扩建项目大力开拓海外市场。

价格优势是中国激光企业出海的“王牌”。国产激光设备价格优势明显,激光器和核心器件国产化后,激光设备成本大幅下降,激烈的竞争也推动价格降低。亚太、欧洲地区成激光出海主要目的地,出海之后,国内厂商将有条件以高于本土报价的价格实现交易,大大提高了利润。

不过,当前激光产品出口占中国激光行业产值的比例仍然较低,且出海将面临品牌效应不足、本土化服务能力较弱等问题,要想真正“卷”出头,依然道阻且长。
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结语

中国激光的发展史是一段以丛林法则为纲的残酷搏斗史。

过去十年,激光企业经历了“万瓦大赛”和“价格战”的洗礼,打造出了一支能在国内市场与海外品牌一较高下的“排头兵”。下一个十年,是国产激光从“流血的市场”转向技术创新,也从国产替代走向国际市场的紧要关头,走好这段路,中国激光行业方能实现从“跟跑、并跑”到“领跑”的跨越。


来源 : 高新南七道 作者: 胡伟平博士 发布时间 : 2023-10-17

中国科学家取得突破,国产激光技术超越全球第一梯队

中国科学家在激光技术领域最近取得了一项令全球瞩目的突破性成果,有望超越全球第一梯队。这一消息传出后,引起了全球科技界的广泛关注和热议。据悉,这项突破是由一支由中国最顶尖的科学家组成的团队在长期的研究和实验后取得的。他们成功改进了激光技术的关键元件,并融入了创新的技术理念,使得中国激光技术取得了重大突破。

01

国产激光技术的突破:

实现高功率输出

在过去,我国面临着激光技术领域的技术壁垒。当时,高功率激光器多依靠进口,价格昂贵且难以满足国内需求。然而,近年来,我国积极推动产业升级和科技创新,通过重大科技项目的支持,加大研发投入,不断突破技术难关,实现了高功率激光输出的国产化。

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为了实现高功率输出,我国科研人员在激光介质、光学元件、激光谐振腔等关键技术方面进行了一系列的研究。首先,在激光介质方面,我国研发出了一系列具有高光导率、高密度能级和较长寿命的激光介质材料,使得激光器的效率得到了大幅提升。此外,在光学元件方面,我国研制出了高功率激光器专用的高反射率镜片和光纤耐高功率耦合器件,能够有效地降低光学元件的损伤率,提高激光器的输出功率。
另外,我国的科研人员还针对激光谐振腔的设计进行了深入的研究。通过优化谐振腔的结构、增加谐振腔的稳定性,使得激光器在高功率输出时能够保持较高的工作效率,并且具备较长的寿命。这些关键技术突破的实现,使得我国的激光器在高功率输出方面不再依赖进口,大大降低了成本,提升了国内市场的竞争力。

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高功率激光器的实现,对推动我国制造业的发展起到了积极的促进作用。高功率激光器在材料加工、激光制造、激光通信和国防等领域都有广泛的应用。特别是在制造业中,高功率激光器能够实现高速切割、高精度焊接等工艺,提高产品质量和生产效率,为我国的制造业注入了新的活力。

02

国产激光技术的突破:

提升光束质量

国产激光技术在光束质量的提升方面加大了研发投入。通过引进国际先进的光束传输技术和设备,并结合自主创新,国内激光技术企业不断研发出高性能的光束质量控制技术,实现了激光光束的高质量传输和成型。这种资金和技术的投入为国产激光技术的发展提供了坚实的基础。
国产激光技术在光束质量方面注重了工程可行性和应用性。以工业激光加工为例,光束质量的提升直接关系到产品的质量和加工效率。国内激光技术企业在进行激光器设计和制造时,充分考虑了工业应用的特殊需求,通过优化光束传输系统、改进激光器结构等手段,不断提高激光器的光束质量,使其更适用于各类工业加工领域。

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国产激光技术在光束质量的提升上也探索了新的途径。在传统的调制、放大、谐振等技术基础上,国内激光技术企业积极研究投入新兴技术,如自适应光学技术、相位调制技术等,通过引入先进的光学元件和自动控制系统,实现对光束质量的智能化控制和调整。这种探索为国产激光技术的创新发展提供了新的思路和方向。
国产激光技术在光束质量提升方面也加强了与国际交流与合作。通过与国外激光技术企业的合作,国内激光技术企业得以接触到先进的技术和管理经验,促进了激光技术的全球化发展。同时,国内激光技术企业也积极参与国际标准制定和行业论坛,推动光束质量的提升成为国际共识和标准。

03

国产激光技术的突破:

降低设备成本

国产激光技术在材料研发方面取得了重要进展。以前,我国激光设备的高成本主要源于激光器所使用的材料需要进口。然而,通过我国科研人员的不懈努力,我们成功地开发出了一系列具有自主知识产权的激光材料。这些材料具有良好的激光特性和稳定性,能够满足市场的需求,并且价格更加合理。

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国产激光技术在制造工艺上取得了巨大的突破。制造激光设备所需要的环境条件非常苛刻,要求高精密度的工艺。以前,我国制造激光设备的流程繁琐,需要大量的人力和物力投入,导致设备成本居高不下。然而,通过技术创新和工艺改进,我们成功地实现了制造工艺的优化。现在,国产激光设备的生产效率大大提高,成本也得到了有效控制。
政府的支持和投资也为国产激光技术的突破提供了重要保障。我国政府高度重视激光技术的发展,对激光产业进行了大量的投入。政府资金的支持不仅为激光技术的创新提供了保障,还为我国激光设备制造业的发展提供了强大的动力。这种政策引导和资金支持为国产激光技术的突破提供了坚实的基础。
国产激光技术的突破对我国激光产业发展带来了积极影响。首先,降低设备成本使得更多的企业能够购买和使用激光设备,推动了激光技术在各领域的广泛应用。其次,降低设备成本增加了我国激光设备的出口竞争力,有助于扩大激光产业的国际市场份额。此外,国产激光设备的成本下降还能够为科研机构和制造企业节约开支,加快技术创新和产业升级。

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然而,我们也要清醒地认识到,国产激光技术在降低设备成本方面还存在一些问题。首先,国内激光材料的质量和稳定性仍然需要进一步提高,以满足复杂和高精密度应用的需求。其次,制造工艺的优化仍需要不断探索和创新,以进一步降低设备成本并提高生产效率。最后,政府的支持和资金投入也需要进一步加大力度,以推动国产激光技术的突破和发展。
我们期待看到更多中国科学家在其他领域取得更大突破。同时,我们也希望这个突破能够推动整个中国科技产业的发展,吸引更多优秀科学家的加入,推动中国科技再上新的高峰。


来源 : 元生数字财通岛 发布时间 : 2023-10-09

激光焊锡工艺在电子焊接技术发展的重要性

现如今电子焊接技术已经从传统的手工焊接方式向自动化、智能化和信息化发展。集成电路芯片封装形式也层出不穷,封装密度越来越高,极大的推动着电子产品向多功能,高性能,高可靠和低成本等方向发展。目前为止,通孔技术(THT)和表面贴装技术(SMT)在电子组装制造业中很普遍。它们已经在PCBA工艺中得到广泛应用,具有自己的优势或技术领域。


随着电子组装件越来越密集,部分通孔插装件已无法用传统波峰焊实现焊接。而选择性激光锡焊技术的出现,恰似是为了满足通孔元器件焊接发展要求而发展起来的一种特殊形式的选择性钎焊技术,其工艺可作为波峰焊的一种取代,能够对逐个焊点的工艺参数进行优化以达到最佳的焊接质量。


通孔元器件焊接工艺的演变


在现代电子焊接技术的发展历程中,经历了两次历史性的变革:

PCB通孔元器件

1.从通孔焊接技术向表面贴装焊接技术的转变


表面贴装焊接技术是一种更为先进的焊接技术,它主要通过在电子设备的表面进行焊接,具有占用空间小、可靠性高、效率高等优点。相比之下,通孔焊接技术主要是在电子设备的内部进行焊接,操作复杂、工作量大、可靠性低、效率低。因此,表面贴装焊接技术的出现,使得线路板上所需焊接的通孔元器件越来越少。


2.从有铅焊接技术向无铅焊接技术的转变


无铅焊接技术是一种更为环保的焊接技术,它主要是指使用无铅材料进行焊接,如锡、铜等。相比之下,有铅焊接技术主要使用含有铅的材料进行焊接,这些材料对环境和人体健康都有一定的危害。无铅焊接技术的出现,使得通孔元器件的焊接难度越来越大,特别是对无铅和高可靠性要求的产品。这是因为无铅焊接材料熔点高、流动性差,需要更高的焊接温度和更严格的焊接条件,更容易受到热冲击和机械应力的影响,对产品的耐高温性能和机械性能提出了更高的要求。


焊接技术的演变直接带来了两个结果:


一是线路板上所需焊接的通孔元器件越来越少;二是通孔元器件(尤其是大热容量或细间距元器件)的焊接难度越来越大,特别是对无铅和高可靠性要求的产品。


再来看看全球电子组装行业所面临的新挑战:


全球竞争迫使生产厂商必须在更短时间里将产品推向市场,以满足客户不断变化的要求;产品需求的季节性变化,要求灵活的生产制造理念;全球竞争迫使生产厂商在提升品质的前提下降低运行成本;无铅生产已是大势所趋。上述挑战都自然地反映在生产方式和设备的选择上,这也是为什么选择性激光锡焊在近年来比其他焊接方式发展得都要快的主要原因;当然,无铅时代的到来也是推动其发展的另一个重要因素。


激光锡焊是制造各种电子组件时使用的工艺设备之一,该工艺包括将特定电子元件焊接到印刷电路板上,同时不影响电路板的其他区域,通常涉及电路板。它一般通过润湿、扩散和冶金三个过程完成,焊料逐渐向电路板上的焊盘金属扩散,在焊料与焊盘金属金属的接触表面形成合金层,使两者牢固结合。通过设备编程装置,对每个焊点依次完成选择性焊接。

松盛光电桌面式激光恒温锡焊系统

松盛光电迎合市场需求推出了第三代激光恒温锡焊系统:包含了直接半导体激光器,红外在线式测温仪,恒温单聚焦焊接头,单聚焦环行照明光源,自动送丝系统,恒温激光焊接软件。该类模组可预先在焊接软件中设置多段温度区间,焊接时激光闭环温控系统对焊点进行实时测温,当焊点温度达到设置温度上限时,自动调整激光功率下降,防止焊点温度过高而产生热伤害。其拥有以下特点优势:


1.采用非接触式焊接,无机械应力损伤,热效应影响较小。


2.多轴智能工作平台(可选配),可应接各种复杂精密焊接工艺。


3.同轴CCD摄像定位及加工监视系统,可清晰呈现焊点并及时校正对位,保证加工精度和自动化生产。


4.独创的温度反馈系统,可直接控制焊点的温度,并能实时呈现焊接温度曲线,保证焊接的良率。


5.激光,CCD,测温,指示光四点同轴,完美的解决了行业内多光路重合难题并避免复杂调试。


6.保证优良率99%的情况下,焊接的焊点直径最小达0.2mm,单个焊点的焊接时间更短。


7.X轴、Y轴、Z轴适应更多器件的焊接,应用更广泛。


来源 : 松盛光电 发布时间 : 2023-10-09

阿秒激光:为“狂飙”的电子摄影 | 解读2023年诺贝尔物理学奖

当地时间10月3日,瑞典皇家科学院宣布,2023年诺贝尔物理学奖由美国俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼、德国马克斯·普朗克量子光学研究所的费伦茨·克劳斯以及瑞典隆德大学的安妮·吕利耶共同获得。

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皮埃尔·阿戈斯蒂尼(左)、费伦茨·克劳斯(中)和安妮·吕利耶(右)因“用实验方法产生了可用于研究物质中的电子动力学的阿秒量级光脉冲”而获得2023年诺贝尔物理学奖。图片来源:诺贝尔奖官网
瑞典皇家科学院指出,他们“证明了一种制造极短光脉冲——阿秒脉冲的方法,这种方法可用于测量原子和分子内部的电子运动或改变能量的快速过程,为人类探索电子世界提供了新工具”。其中,吕利耶从激光与气体中原子的相互作用中发现了谐波效应;阿戈斯蒂尼和克劳斯则证明用这种效应可以产生比飞秒脉冲更短的阿秒光脉冲。
诺贝尔物理学委员会主席伊娃·奥尔森指出:“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解控制电子的机制,下一步将是更好地利用它们。”

从飞秒到阿秒

就像我们用光来观察周围的宏观世界一样,我们也可以用光来探测亚原子世界。但有一个原则必须遵守:任何测量都必须快于被研究系统发生明显变化所需的时间,否则只能得到模糊的结果。
在一个分子中,原子在飞秒(千万亿分之一秒,10的负15次方秒)时间尺度内移动和转动。因此,科学家们可以借助此前最短的光脉冲——飞秒脉冲来对其开展研究。1999年,美国加州理工学院教授艾哈迈德·泽维尔因为利用飞秒激光观察反应过程中化学分子的过渡态,独享当年的诺贝尔化学奖。
而电子在原子或分子内部“狂飙”时,其位置和能量在一到几百阿秒内发生变化,要对其运动开展测量,飞秒技术“爱莫能助”。
阿秒有多短暂呢?1阿秒是10的负18次方秒,也就是十亿分之一秒的十亿分之一。1阿秒之于1秒,相当于1秒之于宇宙的年龄(138亿年)。一束光从房间的一边到达对面墙上就需要100亿阿秒。

阿秒脉冲“现形记”

如何让光脉冲达到阿秒量级?科学家通过理论计算认为,可以通过组合多个波长的短波长激光脉冲来产生更短的光脉冲。

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用最短光脉冲探索电子世界。图片来源:诺贝尔奖官网
中国科学院物理研究所研究员魏志义对科技日报记者解释说:“要产生新的波长不仅需要飞秒激光驱动,还需要聚焦到气体,通过光与气体原子的相互作用产生所谓的高次谐波,高次谐波是在驱动激光的一个周期中,产生两个周期的波。”
据诺贝尔奖委员会官网介绍,1987年,吕利耶及其同事将一束红外激光聚焦到惰性气体,结果发现产生的谐波比之前用较短波长激光驱动所产生的谐波更多、更强,并且观测到的许多谐波具有相似的光强。
科学家们进一步研究发现,一旦这些谐波存在,它们会相互作用。当这些谐波的峰值相互重合时,光会变得更强烈;但当一个谐波的波峰与另一个谐波的波谷重合时,光会变得不那么强烈。在适当的情况下,谐波重合后会出现一系列紫外波段的激光脉冲,其中每个脉冲时长仅几百阿秒。物理学家在上世纪90年代就明白了这背后的理论,但直到2001年才真正揭示其“庐山真面目”。
2001年,阿戈斯蒂尼及其在法国的同事,在实验上成功产生了一系列仅持续250阿秒的脉冲串。费伦茨·克劳斯和其在奥地利的伙伴们则另辟蹊径,成功隔离出持续时长650阿秒的单个孤立光脉冲,而且用其跟踪和研究了将电子从原子中“拉”出来的过程。
“正是以这三位科学家为代表的研究人员历时十几年的工作,通过聪明才智和不懈努力,使超快科学迈入了阿秒时代!”魏志义强调说。

阿秒脉冲有望在多个领域“大显身手”

一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次,用人眼是无法看清的,但采用高速摄影相机就可将其动作定格成一帧帧清晰的画面。
魏志义形象地指出:“阿秒光脉冲正是研究微观物质世界的‘高速摄影相机’,可将‘狂飙’的电子定格下来进行观察。”
魏志义满怀希望地表示:“在(阿秒)如此短的时间尺度上研究和理解电子,有望促进超高速电子学的快速发展,有朝一日可能催生更强大的计算机芯片。它还使我们能够根据分子的电子特性来区分分子,并用于疾病的快速准确的诊断。”
据诺贝尔奖委员会官网介绍,克劳斯团队通过结合宽带光学、超快激光光源和精确的飞秒-阿秒泵浦探测技术,开发出了电场分子指纹技术,可以探测生物流体内分子成分的变化。这有望成为一种新的体外诊断分析技术,检测血液样本中疾病的特征分子,这一技术的优点在于可以同时监测许多分子,且不会对人体造成伤害。
据魏志义介绍,目前国际上除上述研究组外,美国、加拿大、意大利、瑞士、日本、韩国等国家的多个研究组也一直开展有阿秒脉冲的产生及在物理、化学、生物等诸多领域的应用研究。
“如美国中佛罗里达大学常增虎教授的团队先后于2012年及2017年两次创造了最短阿秒脉冲的世界纪录,瑞士联邦技术大学于2017年报道的43阿秒结果迄今仍保持着目前最短的世界纪录。特别是欧盟在匈牙利建设了以阿秒激光为主体内容的极端光设施(ELI-ALPS),用以提供不同领域的科学家开展阿秒科学研究”,对于阿秒领域的成果,魏志义如数家珍。
阿秒光脉冲的研究也得到中国科学家的广泛重视。中国科学院物理研究所、上海光机所、西安光机所、北京大学、华东师范大学、国防科技大学、华中科技大学等单位都开展有阿秒科学的研究。2013年,魏志义课题组首次在国内产生并测量得了160阿秒的孤立阿秒脉冲,目前正在进一步朝着更短脉宽、更高能量及更高重复频率的方向发展,结合终端设备,为阿秒激光在凝聚态物理、原子分子物理、化学、生物医学、信息、能源等领域的研究提供国际领先的平台与设施。
凡是过往,皆为序章!随着技术的不断发展,未来有望产生比阿秒更短的时间单位,如仄秒(10的负21次方秒)、幺秒(10负24次方秒)等。在科学探索和技术发展的征程中,人类前进的脚步永不停歇。


来源 : 科技日报 作者: 刘霞 发布时间 : 2023-10-08

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