导读
“全光纤与固体飞秒激光器的竞争本质，是超快光学领域对‘稳定性’与‘极限性能’的永恒博弈。”
——引自2022年《Nature Photonics》综述论文《Ultrafast Lasers: Pushing the Boundaries of Light-Matter Interaction》
一、飞秒激光器技术路线：全光纤VS固体
飞秒激光器按增益介质和结构设计分为 全光纤 和 固体 两大技术路线，其核心差异如下：
全光纤激光器：增益介质为稀土掺杂光纤（如Yb光纤），通过光纤内非线性效应（如非线性偏振旋转）锁模，脉冲能量较低（μJ级）[1]，但稳定性极佳。具有免维护、低成本的优势，适用于工业微加工、生物成像、通信；
全光纤激光器
固体激光器：增益介质为块状晶体（钛宝石）、板条（Slab）、碟片（Thin-Disk），依赖晶体放大（如钛宝石再生放大），单脉冲能量可达mJ至J级，但需复杂散热设计。具备超短脉冲、极端光束质量优势，适用于超快科研、极致切割、大科学装置。
固体激光器
性能参数对比参数
全光纤结构
块状晶体
板条
碟片
平均功率
较低（通常<50W）
中高（10-100W）
高（50-500W）
超高（100W-1kW以上）
单脉冲能量
低（μJ级）
中（mJ级）
高（mJ级）
极高（mJ-J级）
脉冲宽度
50-500 fs
10-100 fs
50-300 fs
100-500 fs
重复频率
高（MHz级）
低（kHz-MHz级）
中高（kHz-MHz级）
低（kHz级）
光束质量（M²）
接近衍射极限（M²<1.1）
较好（M²~1.3）
较好（M²~1.2）
优异（M²<1.1）
热管理难度
低（被动散热）
高（需强制冷却）
中（优化散热设计）
极低（高效背面冷却）
稳定性
极高（全封闭结构）
中（易受环境振动影响）
中高
高（刚性结构）
二、技术路线详解与代表厂商
1. 全光纤飞秒激光器
技术核心：
以稀土掺杂光纤（如掺镱光纤）为增益介质，通过光纤内非线性效应（如非线性偏振旋转）实现锁模，具有全封闭光路、高稳定性和低维护成本的特点。
优势：
抗干扰性强：无自由空间元件，适合工业现场环境。
散热高效：光纤表面积大，无需复杂冷却系统。
模块化设计：易于扩展功率和功能（如波长转换）。
代表厂商与产品：
厂商
技术特色
代表产品
典型应用
IPG Photonics
模块化设计，掺镱光纤+NPR锁模技术
YLPN系列
消费电子微孔加工、生物成像
NKT Photonics
光子晶体光纤（PCF），超低噪声
FemtoFiber Ultra
眼科OCT、太赫兹波生成
2. 固体飞秒激光器
技术分支：
根据增益介质形态分为 块状晶体、板条（Slab）、碟片（Thin-Disk） 三类，追求高能量、超短脉冲和极端光束质量。
（1）块状晶体激光器
技术核心：
以钛宝石（Ti:Sapphire）、Nd:YAG等块状晶体为增益介质，通过克尔透镜锁模（KLM）或SESAM锁模技术生成超短脉冲。
优势：
脉冲极短：钛宝石极限可支持<30 fs脉冲。[2][3]
波长灵活：钛宝石振荡器波长可调（680-1080 nm）。
代表厂商与产品：
厂商
技术特色
代表产品
典型应用
Coherent
钛宝石超短脉冲，多级再生放大技术
Astrella
超快光谱学、阿秒脉冲产生
EKSPLA
高能量Nd:YAG晶体，SESAM锁模
Atlantic系列
激光诱导击穿光谱（LIBS）
（2）板条（Slab）激光器
技术核心：
采用薄片状晶体（如Yb:YAG板条），通过多程泵浦和几何散热设计降低热透镜效应，平衡高功率与光束质量。
优势：
高平均功率：可达百瓦级，适合长时间工业加工。
高重复频率：支持kHz-MHz级，提升加工效率。
代表厂商与产品：
厂商
技术特色
代表产品
典型应用
Amplitude
Yb:CaF₂板条结构，低热透镜效应
Tangor系列
航空航天复合材料切割
EdgeWave
InnoSlab技术，CPA放大链设计
IS系列
玻璃微加工、半导体晶圆切割
（3）碟片（Thin-Disk）激光器
技术核心：
使用超薄晶体（Yb:YAG碟片，厚度约100-300 μm），通过背面冷却和多通泵浦实现超高平均功率（kW级）。[4][5]
优势：
功率极限突破：唯一实现工业级千瓦输出的飞秒技术。
高效散热：热负荷分布均匀，光束质量近乎衍射极限。
代表厂商与产品：
厂商
技术特色
代表产品
典型应用
Trumpf
16通泵浦技术，kW级功率输出
TruMicro 5000
新能源电池焊接、大尺寸玻璃切割
Jenoptik
碟片+OPCPA混合架构，支持连续/脉冲双模式
JenLas D系列
激光核聚变驱动源、强场物理实验
3. 混合架构与新兴技术
技术核心：
结合光纤与固体技术优势，如光纤种子源+固体放大器，或OPCPA（光学参量啁啾脉冲放大）技术。
代表厂商与产品：
厂商
技术特色
代表产品
典型应用
Light Conversion
宽波长调谐（紫外-中红外），OPCPA技术
Pharos
超快光谱学、非线性光学研究
Spectra-Physics
钛宝石+OPCPA混合架构，少周期脉冲
IceFyre
强场物理、阿秒科学
三、市场格局：全球竞争与区域分化
1. 全球市场规模
2023年市场规模：约25亿美元，年增长率15%-20%。
技术路线占比：全光纤占38%（工业驱动），固体占62%（科研+极致微加工）。
2. 区域市场特点
地区
主导技术
代表厂商
增长领域
北美
固体（科研级钛宝石）
Coherent、Spectra-Physics
阿秒科学、量子计算
欧洲
固体（工业级碟片/板条）
Trumpf、Amplitude
新能源、航空航天
亚洲
全光纤（工业微加工）
IPG
消费电子、光伏、半导体
3. 细分领域增长
工业微加工：全光纤技术主导，年增长率25%（动力：Mini LED、钙钛矿光伏）。
科研装置：固体技术主导，年增长率10%（动力：核聚变、强场物理）。
四、未来技术趋势：性能突破与跨界融合
1. 全光纤技术
更高功率：突破非线性效应限制，向百瓦级平均功率迈进（IPG实验室已实现80W）。[6]
波长扩展：开发中红外光纤飞秒光源，用于无创医疗检测（如血糖监测）。
2. 固体技术
碟片激光器：单脉冲能量突破10 J级，用于激光核聚变（美国NIF装置规划）。[4][5]
板条激光器：优化热管理，实现更高重复频率（>100 kHz）的工业级切割。[7]
3. 技术融合
光纤种子源+固体放大器：混合架构，兼顾稳定性与高能量。
AI驱动加工：Trumpf推出AI激光控制系统，实时优化飞秒脉冲参数。
五、国产飞秒激光器的突围与挑战
1. 进展与突破
目前国产飞秒激光器近几年有了一定的进步，但与国外头部厂商相比，仍有较大差距。
全光纤飞秒激光器，目前国产厂商取得一定突破，国产替代率达到20%-30%。
固体飞秒激光器，目前国产厂商差距较为明显，国产替代率整体不到10%。
2. 卡脖子环节
钛宝石晶体：全球90%产能依赖俄罗斯和美国。[9]
超快锁模器件：SESAM可饱和吸收镜被德国Batop垄断。
3. 未来目标
2026年目标：工业级全光纤飞秒激光器国产化率超35%，固体飞秒激光器国产化率突破10%。
技术路线选择：避开钛宝石专利壁垒，聚焦光纤和混合架构（如OPCPA+光纤）。
六、总结
全光纤飞秒激光器与固体飞秒激光器的技术路线分化，本质是 “稳定性”与“极端性能” 的取舍：
全光纤：凭借低成本、易维护，正从实验室配角变为工业微加工的“隐形冠军”。
固体：依托超短脉冲、高能量，仍是科研与大科学装置的“不可替代者”。
未来十年，飞秒激光将成为全球高端制造竞争的核心工具之一——这场全球技术竞赛，才刚刚开始。
参考文献列表1.Richardson et al.,JOSA B27.11 (2010).
2.Fork et al.,Optics Letters12.7 (1987).
3.Coherent Inc.,Astrella Technical Specifications(2023).
4.Giesen et al.,Applied Physics B58 (1994).
5.Trumpf GmbH,TruMicro 5000 Technical White Paper(2020).
6.IPG Photonics,2023 Annual Report.
7. Laser Focus World, "High-Repetition-Rate Slab Lasers" (2020).
8.中国光学学会, 《2023超快激光产业发展白皮书》
9.Kuleshov et al.,Progress in Quantum Electronics68 (2020).
