文/陆俊，苏州中辉激光科技有限公司技术总监

碟片激光技术（Disk Laser Technology）是20世纪90年代发展起来的一种高性能固态激光技术，以其独特的热管理设计、高光束质量和功率可扩展性，在工业制造、医疗及科研领域占据重要地位。本文将从技术原理、发展历程、应用场景及未来趋势等方面，系统综述碟片激光技术的研究进展与产业化现状。

技术原理与结构特点

碟片激光器的核心创新在于其增益介质设计。传统固态激光器（如棒状或板条激光器）因热效应致光束畸变，碟片激光器则采用100μm量级厚度的薄盘状晶体（如掺镱钇铝石榴石 Yb:YAG），通过多通泵浦结构优化实现高效散热与高功率输出。这种设计让碟片激光器在千瓦级功率下，仍能保持近衍射极限的光束质量（M²≈1），成为高精度加工的理想光源。碟片激光器在多方面具有独特优势，主要体现在散热、功率、效率、光束质量等方面，这使得其在工业加工和科研领域备受青睐。

（1）卓越的散热性能

独特的结构设计：碟片激光器的增益介质采用厚度仅为 100~300μm的薄盘状晶体，如 Yb:YAG。这种薄盘结构极大地增加了散热表面积，使得热量能够更快速地散发出去。同时，薄盘通过背面水冷散热，热梯度小，能有效避免热透镜效应，保证了激光器在高功率运行时的稳定性和光束质量。

高效的轴向散热：薄盘通过高导热衬底，如金刚石或铜钨合金，与冷却系统直接接触，热量可沿轴向均匀扩散。这种轴向散热设计避免了横向温度梯度的产生，进一步减少了热透镜效应等热致光学畸变问题，确保了激光器的性能不受热量积累的影响。

（2）高功率输出能力

多碟片组合：碟片激光器可以通过多碟片串联或并联的方式，轻松实现功率的扩展。从千瓦级到万瓦级的输出能力，使其能够满足各种不同工业应用和科研需求。例如在工业加工中，高功率碟片激光器可用于厚板切割、深熔焊接等对能量要求较高的工艺。

稳定的高功率运行：得益于良好的散热性能和优化的光学结构，碟片激光器在高功率输出时，能够保持稳定的工作状态。相比其他类型的激光器，碟片激光器在长时间高功率运行过程中，能够更有效地避免因热积累等问题导致的功率波动和性能下降，保证了加工质量和实验结果的可靠性。

（3）高光束质量

接近衍射极限：碟片激光器能够保持近衍射极限的光束质量，通常其光束质量因子 M²≈1 或 M²≈1.1。这意味着激光束具有高度的方向性和聚焦能力，能够在目标上产生极小的光斑尺寸，从而实现高精度的加工和测量。在科研领域，高光束质量的激光对于精密光谱学、量子光学等实验至关重要，能够提高实验的分辨率和准确性。

低光学畸变：薄盘状增益介质和优化的光学腔设计，使得碟片激光器在激光产生和传输过程中，产生的光学畸变极小。这保证了激光束在传播过程中的形状和质量，使其能够在长距离传输和高能量密度应用中保持良好的性能。

（4）高电光转换效率

高效泵浦结构：碟片激光器采用多通泵浦结构，泵浦光多次穿过碟片，通常为16-32次，显著提高了泵浦效率。这使得输入的电能能够更有效地转化为激光能量，其电光转换效率可达30%以上，远高于传统固体激光器的10%-20%和CO₂激光器的约10%。

减少能量损耗：碟片背面镀有高反射膜层，形成谐振腔，减少了腔内损耗。同时，优化的光学元件和光路设计，也进一步降低了激光传输过程中的能量损失，提高了整体的电光转换效率，降低了运行成本，提高了能源利用效率。

（5）增益介质长寿命

低应力设计：由于碟片激光器的薄盘结构能够有效降低热应力，增益介质在长期工作过程中受到的热损伤较小，从而延长了碟片的使用寿命。碟片的寿命通常可达数万小时，相比其他一些激光器，大大减少了维护和更换部件的频率和成本。

稳定光学性能：长寿命的增益介质能够保证激光器在长时间运行过程中，保持稳定的光学性能。这对于需要长期稳定工作的工业生产和科研实验来说，具有重要意义，能够减少因激光器性能变化而带来的生产质量波动和实验误差。

（6）波长可扩展性

非线性晶体应用：碟片激光器可以通过采用非线性晶体等技术，实现波长的扩展。能够产生515nm 绿光、343nm紫外等多种波长的激光输出，满足了不同领域对特定波长激光的需求。

多领域应用支持：不同波长的激光在各个领域有着独特的应用。例如，绿光激光在水下通信、生物成像等领域具有优势，紫外激光在微电子制造中的光刻工艺、材料表面处理等方面有重要应用。

图1所示为中辉激光推出的典型碟片放大模块，最高可以获得超过3kW储能。

图1：碟片放大模块。

发展历程与技术突破

碟片激光技术的发展是一个充满创新与突破的过程，以下是其详细发展历程。

（1）早期探索与概念形成

20 世纪80年代末至90年代初，随着工业制造和科学研究对高功率、高质量激光光源需求的不断增长，传统的固体激光器如棒状激光器和板条激光器，由于热效应问题，在功率提升和光束质量保持方面遇到了瓶颈。科研人员开始寻求新的技术方案来解决这一难题。

1994 年，德国斯图加特大学的 Adolf Giesen 团队首次提出了 Yb:YAG 碟片激光器的概念，其核心是采用厚度仅为0.1~1mm的薄盘状Yb:YAG晶体作为增益介质，这种独特的薄盘结构为解决散热问题提供了新的思路。

（2）概念提出与实验室验证阶段（1990 - 2000年）

技术原理验证：在这一阶段，研究人员主要致力于从理论和实验两方面验证碟片激光器概念的可行性。通过对薄盘状增益介质的热特性、光学特性等进行深入研究，设计并搭建了基于碟片结构的激光实验系统。

功率突破：实现了百瓦级的激光输出，证明了碟片激光器在解决散热问题后，能够在一定程度上提高激光输出功率和光束质量。但此阶段的碟片激光器仍处于实验室研究阶段，在稳定性、可靠性以及成本等方面还存在诸多问题，距离商业化应用还有较长的路要走。

（3）工业化应用与功率提升阶段（2000 - 2010年）

商业化开端：2000年代初，德国Trumpf公司推出了首台商用碟片激光器TruDisk系列，标志着碟片激光技术开始走向工业化应用。该系列产品功率突破千瓦级，凭借其高功率、高光束质量和较好的稳定性，迅速在汽车制造行业的车身焊接等领域得到了广泛应用，大众、宝马等汽车品牌都采用了TruDisk系列碟片激光器进行车身焊接，大大提高了焊接质量和生产效率。

国际竞争与发展：同期，美国相干公司（Coherent）和日本松下（Panasonic）等国际知名企业也加入到碟片激光器的研发行列，形成了国际竞争与合作的局面。各企业通过不断优化技术和工艺，推动碟片激光器的功率向万瓦级迈进，进一步拓展了碟片激光器在工业加工领域的应用范围，如在厚板切割、表面处理等方面也展现出了优异的性能。

（4）多波长扩展与超快技术融合阶段（2010年至今）

波长扩展：近年来，随着材料科学和非线性光学技术的发展，碟片激光器通过采用非线性晶体等技术手段，实现了波长的扩展。成功产生了515nm绿光、343nm紫外等多种波长的激光输出，满足了微电子制造、医疗美容、生物成像等对特定波长激光有需求的领域。例如，在微电子制造中，紫外波长的碟片激光器可用于高精度的光刻工艺；在医疗领域，绿光和紫外光可用于皮肤病治疗、眼科手术等。

超快技术融合：碟片激光器还与超快激光技术实现了深度融合，作为超快激光放大器（如飞秒脉冲）的泵浦源，为阿秒科学和强场物理等前沿科学研究提供了强大的技术支持。在阿秒科学研究中，碟片激光器驱动的超快激光系统能够产生阿秒级的光脉冲，使科学家能够直接观测和操控原子和分子内部的电子运动，为探索微观世界的物理规律提供了新的手段；在强场物理领域，高功率碟片激光器产生的强激光场可以与物质相互作用，产生高次谐波、相对论效应等一系列新奇的物理现象，推动了强场物理学科的发展。

未来，碟片激光技术有望在进一步提高功率、优化光束质量、降低成本、拓展应用领域等方面取得新的突破，与其他新兴技术的融合也将为其发展带来更多的可能性。中辉激光作为国内工业级碟片激光器供应商，陆续推出了功率100~1000W，脉宽800fs~20ns，光束质量M2从1.1到25的系列脉冲激光产品。2019年完成工业化碟片增益模块的研制；2020年国内率先完成符合工业标准的碟片激光器量产机型；2022年推出工业级150瓦系列碟片激光器产品；2024年初推出工业级300W系列碟片激光器产品；同年9月推出工业级1000W系列碟片激光器产品。该系列激光产品具备三大特色：脉冲从数百飞秒到数十纳秒可定制；光束质量M2从1.1到20可定制；功率从百瓦到数千瓦可定制。

图2：中辉激光不同功率的激光器产品。

图3：中辉激光激光器脉宽输出能力。

碟片激光器的应用

（1）纳秒级碟片激光器（1~1000ns）

技术特点：脉冲能量随脉宽延长而增加，1000ns 脉宽下可达数百焦耳；1~100ns以快速热冲击为主，100~1000ns为渐进式热传导，典型功率1~10kW（工业级）。

分段应用场景：

1~100ns：用于高精度切割/标记，如汽车电池极耳切割，100ns脉宽切口无毛刺。

100~500ns：适用于厚板焊接/熔覆，核电站不锈钢管道焊接，300ns脉宽熔深达8mm。

500~1000ns：用于大体积材料处理，矿山机械齿板表面硬化，800ns脉宽硬化层厚度1.2mm。

新增应用：超厚金属钻孔，石油钻杆深孔加工；高分子材料改性，轮胎模具表面纹理加工；航空航天涂层清除，飞机蒙皮聚氨酯涂层剥离。

（2）皮秒级碟片激光器（1~1000ps）

技术特点：1~100ps 实现“冷加工”，100~1000ps热影响区逐渐增大；1ps 脉宽下峰值功率可达10GW级，1000ps降至100MW级，重复频率1~10MHz。

分段应用场景：

1~10ps：用于脆性材料切割，手机玻璃盖板异形切割，5ps 脉宽崩边 < 2μm。

10~500ps：适用于薄膜加工/打标，太阳能背板膜刻蚀，200ps 脉宽线宽15μm。

500~1000ps：用于中等精度焊接，精密传感器封装焊接，800ps脉宽热影响区50μm。

新增应用：3D玻璃成型，车载曲面触控屏热弯模具加工；多层PCB 微导通孔，5G基站电路板通孔加工；生物组织消融，牙科种植体表面活化。

（3）飞秒级碟片激光器（1~1000fs）

技术特点：<100fs主导非线性电离，100~1000fs 热弛豫效应增强；1fs脉宽对应0.3μm空间分辨率，近衍射极限；通过OPO可覆盖 UV - THz波段。

分段应用场景：

1~100 fs：用于量子材料制备，拓扑绝缘体表面态调控，50fs 脉宽，缺陷密度 < 10⁸/cm²。

100~500 fs：适用于超精密钻孔，喷墨打印机喷嘴加工，300fs脉宽，孔径5μm±0.1μm。

500~1000 fs：用于透明材料改性，VR透镜波导结构刻写，800fs脉宽，折射率变化Δn = 0.01。

新增应用：太赫兹波产生，安检成像系统光源；钙钛矿薄膜划线，光伏组件P1/P2/P3层加工；细胞级手术，神经元突触精准切断。

未来应用

激光剥离（LLO）

Micro LED制造：206nm深紫外：直接解离GaN/蓝宝石界面，实现原子级平整剥离（粗糙度<2nm）；515nm绿光：通过多光子吸收处理透明蓝宝石，良率达99.5%。

柔性显示：257nm紫外：剥离聚酰亚胺（PI）基板，速度120mm/s（零碳化）；1030nm红外：清除硅基临时键合胶层，效率提升3倍。

技术亮点：多波长协同（如1030nm预热+206nm解离）降低热应力70%。

激光退火（LA）

半导体制造：515nm绿光：LTPS晶粒尺寸调控（50~300nm），用于OLED背板；343nm紫外：修复MoS₂硫空位，缺陷密度降至10¹⁰/cm²。

先进芯片：257nm深紫外：钙钛矿薄膜退火，效率25.5%（抑制Pb⁰缺陷）；1030+515nm双波长：3 nm FinFET掺杂活化率>99.9%。

技术亮点：超快退火（500fs）实现钙钛矿相变，载流子迁移率提升30%。

脉冲激光沉积（PLD）

超导材料：257nm紫外：沉积YBCO薄膜，临界电流密度>5MA/cm²（77 K）；206nm深紫外：Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ₓ单原子层外延（误差<±0.2 Å）。

复合薄膜：1030nm红外+515nm绿光：制备DLC-MoS₂超润滑涂层（摩擦系数<0.05）；三波长协同（1030/515/343nm）：一步沉积透明导电叠层薄膜（透光率>92%）。

技术亮点：MHz级高重频沉积（AlN薄膜速率10μm/h），适配量子材料制备。

图4：激光剥离原理图。

图5：激光退火原理图。

图6：脉冲激光沉积原理与系统：（a）PLD原理图；（b）PLD系统。

技术挑战与未来趋势

尽管碟片激光技术已趋成熟，但仍面临以下挑战：

成本竞争：光纤、块状激光器凭借更低成本和模块化设计，在中低功率市场占据优势。

热管理极限：功率超过20 kW时，碟片边缘热应力可能导致晶体开裂，需开发新型复合材料（如Yb:CALGO）。

能量极限：获得焦耳量级超快或纳秒激光脉冲输出同时，保证激光平均功率达到千瓦量级。

波长灵活性：现有波长扩展依赖非线性晶体，效率损失较大，亟待开发直接发射多波长碟片。