上百束微弱的激光，经过一道道玻璃之后，能量会放大1万亿倍。最终，它们将汇聚到一点，点燃人造“小太阳”———激光惯性约束聚变装置，有望实现人类源源不断获得清洁能源的终极梦想。
    要得到这足以引发氢同位素核聚变的强大激光，就必须研制出能为激光输送能量的钕玻璃，它是大功率激光器的“心脏”。中科院上海光机所的一群科学家，为实现这个梦想，默默努力了半个世纪。
    如今，他们已经是国际上唯一掌握制作大尺寸高性能激光钕玻璃全过程工艺的团队。昨天，他们捧得了2016年度上海市技术发明特等奖。
钕玻璃“赋能”让激光足以引发聚变反应
    钕玻璃研究历经半个世纪，经历了4次技术迭代，走出了两位中科院院士。团队成员始终怀揣着一个信念：再难，也要做出来!
    1焦耳的能量，可以让1瓦的灯泡正常发光1秒。1纳焦耳，只有1焦耳的十亿分之一，这个能量级别的激光，微弱得几乎无法察觉。然而，经过一两千片吸收了能量的钕玻璃“赋能”，这束微光将强大到引发聚变反应。
    “钕玻璃很奇特，在氙灯的照射下，钕离子会吸收光的能量，从低能状态跃迁到高能状态。”钕玻璃项目负责人、光机所研究员胡丽丽解释，当激光穿过能量满满的钕玻璃时，就会吸收玻璃中的能量而变强，“数千片激光钕玻璃在装置中，反复为激光‘接力’，最终让激光达到科学家的需求。”
    这强大的激光，可以助力科学家进行高能量密度物理基础研究，创造了激光瞬时输出功率世界纪录的浦东张江超强超短激光装置中，也用到钕玻璃阵列；激光钕玻璃也可用于聚变研究，我国的“神光”装置就是世界上性能最好的聚变“点火器”之一。
    从1964年起，上海光机所就开始了钕玻璃的研究，并走出了干福熹、姜中宏两位中科院院士，团队成员目前稳定在80多人。从第一代硅酸盐钕玻璃，到现在磷酸盐钕玻璃，整整经历了4次技术的代际提升。胡丽丽说，与硅酸盐钕玻璃相比，磷酸盐钕玻璃十分“娇气”：使用时，温度、湿度都要精准控制，不然玻璃会发霉，熔炼时也非常困难，“可它的能量放大能力是硅酸盐钕玻璃的10倍，大功率激光装置离不开它。”
    再难，也要做出来!没有它，我国激光科学冲击世界前沿将只能是纸上谈兵。
制造工艺全掌握世界独此一家
    “攻克”两个字的背后，是彻夜难眠的思索、一次次失败之后从头再来、无数个紧急会议和被放弃的休息日。伴随结婚生子的人生历程，年轻人把要攻关的技术当成了另一个孩子。
    磷酸盐钕玻璃为何难造?它要同时满足28个技术参数，几乎每一个都是一道难跨越的坎：高纯度的原料既容易吸水，又“性格”活泼，连生性“懒惰”的白金都会被它“拉”下马。而激光钕玻璃中，又容不得杂质的存在。大功率激光装置动辄需要上千片钕玻璃，它们必须规格性能一模一样，才能让两三百路激光最终精准汇聚到仅有毫米量级的靶点上。
    按照传统方法，熔炼出一片钕玻璃平均需要两天。早在上世纪90年代，美国、日本、德国3家公司共同投入研发，花了6年时间，掌握了钕玻璃连续熔炼技术。
    “中国买不到国外的钕玻璃，也得不到相关技术，国外对我们禁运。”胡丽丽说，要让中国科研走到世界最前端，只有自己突破这个“卡脖子”的难关。
    2002年，在国家科技重大专项的支持下，胡丽丽率领团队，开始了攻克钕玻璃的连续熔炼技术的征程。
    “这真是太难了!”胡丽丽说，它挑战了光学玻璃连续熔炼的极限，尺寸大、指标要求多且极高。
    除水、除白金、除杂质……每道关口都得花上两三年才能攻克。而这“攻克”两个字的背后，则是彻夜难眠的思索、一次次失败之后从头再来、无数个紧急会议和被放弃的休息日。“整个团队连续7年，连春节假期都放弃了。”胡丽丽说，只有当约1米长、半米宽的紫红色玻璃走下生产线并检测合格时，大家的心里才会生出一丝轻松。
    纯净的紫红色玻璃，包裹着一圈淡绿色的玻璃包边，钕玻璃美得应该放在少女梳妆台前。然而，在专业人士眼中，那是一个完整的光学器件———连粘结两种玻璃用的胶水，都必须严格符合钕玻璃的技术参数。
    项目第二完成人、光机所正高级工程师陈树彬解释，钕玻璃在接收能量之后，会产生一些杂乱的光散射，包边玻璃不仅要能吸收“杂光”，还要能消除应力，不然钕玻璃就会碎裂。
每一个细小之处，都决定着整个研制过程的成败。“这个团队里，好多小伙子一毕业就加入进来，十几年钻在一门技术里，真是做到了极致。”胡丽丽说，有些人年纪轻轻就已经花白了头发，“伴随结婚生子的人生历程，他们把自己要攻关的技术当成了另一个孩子。”
连续稳定支持安心攻克难关
    让团队倍感欣慰的是，这么多年来，从没有为经费和实验场地发过愁。有了安心做科研的环境，才能做成这件大事。
    走进光机所嘉定北区的一幢大楼，世界上唯一一条大口径高品质钕玻璃连续熔炼生产线，正在为下一次开工做准备。这条生产线一年可产出钕玻璃1200片。陈树彬说，与手工单片制作钕玻璃的时代相比，现在的生产效率提升了10倍，成品率也大幅提升。
    数年前，国际上已有机构找到光机所，希望购买产品。“当他们知道中国一家科研机构就掌握了全套生产工艺，产品指标全优，除了佩服，还是佩服。”光机所科研处处长贺洪波说，钕玻璃的直接销售额目前已达3.76亿元，它在高技术领域所打开的局面，其影响深远是难以估量的。
    胡丽丽感觉非常欣慰的是，在国家科技重大专项、国家工信部、上海市经信委的支持下，这么多年来，团队从没有为经费发过愁。“光机所也尽可能优先为我们提供更好的实验场地。”她说，有了安心做研究的环境，才能做成这件大事。

2016 年是美容激光器销售非常好的一年。科医人公司(Lumenis，自称是世界上最大的激光医疗设备公司，主要用于手术、美容和眼科应用)2014年第二季度实现了连续第八个季度的同比业绩增长，该季度销售额同比增长 9.3%，达到 7250 万美元。但是，科医人公司于 2015年被全球投资公司 XIO 集团以 5.1 亿美元收购，现在其财务透明似乎不复存在。
    科医人能提供治疗泌尿病症的脉冲钬激光器系列、治疗干眼和红斑痤疮的强脉冲光(IPL)技术、用于中耳手术的 OtoLase 技术，以及用于皮肤科和耳鼻喉科的点阵式 CO2 激光器，其产品似乎覆盖了所有医疗应用。此外，科医人用于经口激光显微手术(TLM)的 AcuPulse DUOCO2 激光器，活跃在早期气道癌症治疗的第一线，比放化疗具有优异的治愈率。
    Cynosure 公司提供的产品几乎与科医人相同(除了CO2 激光产品)，该公司 2016 年第三季度的收入飙升至1.064 亿美元， 比 2015 年同期增长高达 36%。同样，Cutera 公司 2016 年第三季度的收入也比 2015 年同期增长31%，达到 3030 万美元。

仅凭强劲增长的美容激光器的销售业绩，我们预测2017 年激光器在医疗和美容市场的销售额将从 8380 万美元增长到 9580 万美元，增长幅度高达 14.3%。如果 LISALaser USA 等公司能成功地将其 RevoLix 激光产品整合到机器人辅助的 da Vinci 手术系统 中，预计 2017 年后，该市场可能会出现更迅猛的增长。
    医疗激光行业也涌现出了很多并购行为。2016年9月，强生公司(J & J)以 43 亿美元收购了雅培旗下的医疗光学部门(AMO)，强生看中的是 AMO 在眼科保健、白内障手术、激光屈光手术或 LASIK领域的专长。该收购价格是 AMO 2015 年 11 亿美元销售额的近 4 倍。
    在收购方面的开支仅占强生 2016 年第三季度 178 亿美元销售额的一小部分，强生公司糖尿病和眼健康部门负责人 Ashley McEvoy，在 2016 年 6 月份收购 AMO 之前接受媒体采访时，也透露了强生对眼科保健的兴趣。飞秒眼科激光技术是由 IMRA 等公司在 20 世纪 90 年代发明的，谁又能想到其价值会在近 30 年后光彩熠熠、并成为这种大型并购活动的关注点呢?
    强生已经通过收购快速获得了 LASIK 和眼睛健康领域的专业知识，同蔡司这样的 LASIK 供应商在市场上同台竞技。蔡司的 Visumax 飞秒激光器(至少被一家LASIK 眼科中心宣传过 )在 LASIK 手术方面堪称是激光器中的“麦克老爹”，即“万人迷”，其工作速度比其他激光器快得多，治疗每只眼睛仅需 15-20 秒，并能在角膜上实现超精确的治疗效果。
    除了眼科以外，其他医疗激光技术也在并购行为和 / 或销售快速增长中显示出来 ：以色列 HIL AppliedMedical 公司收购 Nanolabz 公司，目的是商业化激光辅助质子疗法用于癌症治疗。AMETEK 公司收购 LaserageTechnology Corporation，以借助后者在微创外科手术设备、支架和基于导管的输送系统方面的激光制造和精加工优势，增强其在医疗行业的影响力。加拿大 Theralase 公司的冷激光疼痛去除装置和光动力癌症破坏疗法，让该公司在截至 2016 年 9 月 30 日的 9 个月中，收入比上年同期增长 14%。
仪器仪表和传感器市场
    激光雷达技术获得的不可否认的成功、以及围绕该技术引发的并购浪潮，无疑是 2016 年仪器仪表和传感器领域的一大热点故事。与此同时，基于激光的结构健康监测，对于飞机、车辆、桥梁、铁路、道路和任何关键运输和基础设施资产而言，正在变得越来越重要。
    2016 年 8 月，美国海军研究实验室(NRL)的科学家使用分布反馈光纤激光 - 声发射传感器，成功地检测了从铆接搭接接头中的裂纹产生的声发射。其原位能力超过压电技术，可以与现有的光纤应力和温度传感系统结合或“多路复用”。
    加拿大 Opsens 公司以生产用于井下石油和天然气监测的光纤传感系统而闻名，该公司正在人体内进行结构健康监测项目。其获得 FDA 批准的 OptoWire II 光纤传感器，是一种光导丝，能够测量血流储备分数(FFR)，进而能够诊断心脏病患者的冠状动脉狭窄的严重程度。截至 2016 年 8 月 31 日结束的 2016 财年，Opsens 公司的FFR 销售额增长了十倍(从 2015 财年的 50 万美元增加到2016 财年的 520 万美元)，2016 财年的总销售额达 960 万美元。

基于太赫兹激光的仪器也正在获得商业上的认可。据报道，英国 TeraView 公司 2016 年的销售额翻了一番，业绩增长的驱动力主要来自其 TeraPulse 太赫兹成像仪和光谱仪，以及其用于半导体封装检测的电光太赫兹脉冲反射系统 EOTPR 5000 的成功推出。在截至 2016 年 9 月30 日的 9 个月期间，太赫兹和光纤传感系统制造商 LunaInnovations 公司的销售额从 2015 年同期的 2860 万美元增长到 4330 万美元，这主要得益于市场对其用于测量复合材料应力的 ODiSI 系统的需求增加。
    预计 2017 年激光器在仪器仪表和传感器市场中的销售额将达 6.61 亿美元，比 2016 年的 6.08 亿美元显著增长8.7%。虽然仪器仪表和传感器市场的规模，大约是医疗和美容市场或科研和军事市场规模的 2/3，但是该市场拥有巨大的增长潜力，因为一些自主或智能应用(如激光雷达)对传感激光器的需求量非常巨大。
    前文中我们已经讨论了激光雷达行业中涌现出的大量并购行为，同样仪器仪表行业中一个相关的部分也是 2016 年的焦点，即 3D 激光扫描。在美国有一档叫做Time Scanners 的电视节目，在该节目中，激光雷达数据被转换为 3D 图像。这项技术也适用于制造和计量应用。例如，FARO 公司刚刚推出了具有高速成像(HSI)技术的激光雷达，能够合成 4 亿像素的图像，并且能为关键特征提供高分辨率放大功能。
    在截至 2016 年 9 月 30 日的 9 个月中，FARO 公司的销售额为 2.333 亿美元，比去年同期温和增长 3.4%。2016年 8 月，FARO 公司收购了 Laser Projection Technologies(LPT)公司。对于此次收购，FARO 公司总裁兼首席执行官 Simon Raab 表示 ：“除了 LPT 领先的激光投影解决方案 外，我们相信 LPT 专有的成像激光摄影测量和成像激光雷达技术，可通过先进的 3D 成像能力建立一种新的高速激光测量方法 ，其将拥有颠覆市场的巨大潜力，我们会集中力量快速利用这种潜力。这种技术比目前市场上可用的激光雷达产品快数千倍，同时结合了一种完善的激光投影功能来指导装配，使其成为一种完全自动化的高速协作工具，适用于手动或自动化组装与验证。”娱乐、显示和打印市场
    2016 年 11 月，比利时 Barco 公司公布了 RGB 照明的背投显示器 (两倍亮度、两倍对比度、三倍能效)与 LED 显示器相比的优势 ;2016 年 6 月，Barco 公司宣布其旗舰激光器和激光荧光投影仪的安装量已达 125 套，在数字影院行业中处于领先地位。Barco 公司的竞争对手 Christie 公司，是日本 USHIO公司的一家全资子公司，该公司也正在从激光影院市场中获得增长动力。2016 年 4 月，另一家 USHIO 公司的全资子公司 Necsel，收购了 PD-LD 公司。作为一家激光投影和照明公司，Necsel 公司看中的是 PD-LD 公司在稳定的体布拉格光栅(VBG)激光二极管技术方面的价值。
    Necsel 公司董事长兼首席执行官 William Mackenzie表示，除了能加强其知识产权组合、并且更好地服务生物仪器和生命科学领域的客户外，“此次收购还增强了我们的垂直整合能力，继续满足我们的投影客户的需求，同时加强激光影院的全球推广。我们很高兴能与 PD-LD 公司一起，将我们‘让激光器像灯泡和 LED 一样普及’的愿景变成现实，并且与我们的客户一道，创造下一代投影显示器和生命科学产品。”
    在打印领域，激光喷墨打印机的销售额继续增长，但是激光器在该市场的收入却有所下降，因为所使用的激光二极管的价格下跌。然而，制造商正继续寻求新的方法，在纸张和纺织品 / 塑料 / 有机印刷等应用中使用激光技术。

虽然称为“奇迹板”的使用超快激光器的计算机直接制版光刻发明从未达到效果，但是超短脉冲(USP)激光器或超快激光器正在不同类型的印刷应用中获得成功。“在目前追求产品差异化的大趋势下，对 CPG(消费类包装产品)和工业产品的按需在线打标，已经成为当下的迫切需求。”Lincoln Laser 公司市场营销和销售总监 BillKuypers 说道，“此外，价格压力正在增加市场对高速打标解决方案的兴趣，激光打标不需要任何耗材，如传统喷墨打印所需要的油墨。为此，市场对于能够在包括塑料、纸和金属等材质的产品上打标的超短脉冲激光器和多边形激光扫描头的需求，将会大量增加。”
    尽管上述应用中所使用的激光器归结到材料加工市场中的打标部分，但是消费市场对这种激光打标方法越来越多的接受，仍然证明了激光技术在全球的适应性。2016年，激光器在娱乐、显示和打印市场的销售额再次增长至2.68 亿美元，预计 2017 年将大幅增长 19%、达到 3.19 亿美元，增长的主要驱动力将来自激光影院设备。
    娱乐和显示市场还包括一些更有趣的激光应用，其激光器用量也有很大潜能。2016 年市场上有几个与显示和照明相关的显著的激光创新——Blaze Laserlights 在道路上投射一个自行车标志，以警告汽车驾驶者在黑暗的道路上有自行车存在 ;安装有激光雷达的轻型无人机，为电影制作人创造了最佳边缘照明 ;以及激光大鼠围栏试图吓跑威胁农作物和花园的大鼠和其他害虫。

光纤激光器使用稀土掺杂光纤作为激活介质，用激光二极管作泵浦源，本身固有一些关键优势，使它们在通过锁模产生超短脉冲方面颇具吸引力。掺杂光纤的高增益带宽和效率，允许制造相对便宜、紧凑、坚固的光纤激光器系统，这些系统提供适合广泛应用的光纤耦合输出光束。

飞秒架构

光纤提供较高的表面积 - 体积比，从而可实现有效的冷却，并且可以根据特定性能参数进行定制。光纤激光器最初仅限于连续波（CW）、低功率、单模运行 ；经过了三十多年的发展，现在光纤激光器已经能够实现单模和多模运行，波长范围覆盖紫外（UV）到远红外（far-IR）波段，并且能提供非常高的功率水平、可变的重复频率，以及（也许的最显著的）毫秒到飞秒级的脉宽。

不同于传统的自由空间激光器，光纤激光器采用光纤和光纤布拉格光栅（FBG），后者取代了常规的介质反射镜，用于光学反馈。大多数高功率光纤激光器采用双包层光纤架构，其中增益介质在光纤的纤芯，由两层包层包围。来自激光二极管或另一个光纤激光器的多模泵浦光束，在内包层中传播并受到外包层的约束，激发激活介质，并产生在光纤纤芯中传播的激射模式。

为了产生超快激光脉冲，需要采用主动或被动锁模技术。今天用于被动锁模的一些技术，包括非线性偏振旋转和饱和吸收技术，而电光或声光调制器用于主动锁模。

在半导体可饱和吸收镜（SESAM）中，半导体量子阱生长在半导体分布式布拉格反射器上，SESAM 已成功地用于制造工作在1.0μm 和 1.5μm 波长处的飞秒光纤激光器。通过采用石墨烯可饱和吸收体的掺铒（Er）光纤激光器，已经展示了自启动锁模和稳定的孤子脉冲产生。这些只是商业激光器制造商正在采用的几种飞秒光纤激光器架构，以满足各种科学和工业应用。
 

非线性锁模

对于可重复的长期稳定运行，德国Menlo Systems公司的“figure 9”技术采用行之有效的非线性光学环镜（NOLM）锁模机制。振荡器和放大器均只使用保偏光纤组件，实现高稳定性和低噪声，运行免维护。

Menlo的掺铒光纤激光器在中心波长1560nm和780nm处具有宽带增益，提供标准和高功率型号，在50~250MHz 的重复频率范围内，具有 <90fs 的脉宽。Menlo 的掺镱（Yb）Orange飞秒光纤激光器，工作在1040nm 和 520nm 波长处，平均功率>10W，并提供 <150fs 的脉宽。作为一家光学频率梳开发商，Menlo 的所有激光器系统均能够以高精度同步。这些系统广泛用于光谱学、显微、计量、引力观测和材料加工领域。

BlueCut 包含一个振荡器、一个配备脉冲拾取单元的放大器，以及用于高能量短脉冲的压缩器，是 Menlo的工业级微焦耳光纤激光器系统。基于全光纤集成技术，该系统坚固、稳定，可用于微加工应用（见图 1）。
 

光纤CPA

基于其光纤啁啾脉冲放大（FCPA）技术，美国IMRA America公司的 FCPA μJewel 系列，由具有足够脉冲能量的掺镱光纤激光器组成，甚至在1045nm 波长处（见图 2）。FCPA 架构允许用户在两种模式下进行选择 ：100kHz 或 200kHz 的重复频率、高达50μJ 的高能量模式 ；以及1MHz下10W和20W的高平均功率模式。该选择允许用户根据应用需求，以更快的速率进行材料加工。

IMRA 的拉曼频移技术，让掺铒拉曼频移飞秒光纤激光器在 810nm波长处，产生了干净的脉冲形状和光谱，从而使 Femtolite 光纤激光器能够替代钛蓝宝石（Ti:sapphire）激光器——这类激光器一直是临床和工业飞秒应用中的主力军。在 810nm 和1620nm 波长处，Femtolite 的功率范围覆盖 150~200mW，这在太赫兹波产生和探测、多光子荧光显微镜，以及二次谐波成像中非常有用。

此外，飞秒脉冲可通过光纤传送到最终用户设备中。Femtolite FD系列提供光纤耦合输出，重复频率50MHz，平均输出功率高达 1W。这种水平的脉冲能量，对于需要将飞秒脉冲光源灵活地集成到设备中的许多非线性成像或计量应用而言，已经足够用了。

同样地，光纤激光器啁啾脉冲放大器（FLCPA），也是美国 CalmarLaser 公 司 Cazadero 高 能 量（ 高 达30μJ）超快激光器的基础，该激光器在 1μm 或 1.5μm 波长处产生超快脉冲（<0.5ps），重复频率数百千赫兹。这些超快激光器产品可以输出绿光（515nm）和紫外光（343nm），并能与该公司的 Bodega OPA 耦合，进而能在整个近红外（near-IR）区域提供较宽的波长范围。

Cazadero FLCPA 超快激光器始于 27MHz 的被动 SESAM 锁模种子光纤激光器，采样低至 120kHz 或更高。超快脉冲是通过频率时间展宽（啁啾），使得通过高功率光纤放大器级、以较低的峰值强度进行放大。高达 30μJ 的短脉冲能量传输到自由空间中。这种 FLCPA 是固态飞秒激光放大器的一种具有成本效益的替代方案，用于精密生物医学材料加工和纳米结构化。

由于能够产生超过 4000℃的高熔融温度，可用于材料熔化、微结构操作或多材料合成，高功率飞秒光纤放大器已经被越来越多地用于材料加工和制造领域。2014 年，美国 LaserFemto公司首次实现了 0.5mJ 的飞秒光纤激光器，提升了基于光纤的飞秒技术的高功率极限。

被动锁模

SESAM 被动锁模技术也是Calmar 公司的 Carmel-CFL 超快光纤激光器种子平台的基础。Carmel X 系列是高功率、风冷、780nm（以及可选的 1550nm）、基于光纤的飞秒激光器，输出功率从 0.2W 到超过 1.0W（在1550nm 高达 2.5W ；见图 3）。Carmel 激光器能提供 <90fs的脉宽，并且体积小巧，比许多Ti:sapphire 激光器更加紧凑，但是输出功率水平却之接近，能够满足一系列超快激光应用的需求，包括生物成像、多光子显微、光学计量、3D 微打印、太赫兹成像和眼科学。

Carmel X 系列包括远程数据采集、功率监控、系统诊断和二次谐波晶体的自动调节，实现长时间的使用寿命及 OEM 服务支持。对于多光子显微应用，Carmel 超快激光器可用于细胞组织成像，提供最小的散射，并降低光损伤的风险。紧凑的激光头及配套的铠装光缆，使其只需要最少的光学元件就可以集成到现有的光学显微镜中。

另一种具有低相位噪声和低时间抖动的被动锁模、工业级飞秒激光器，是瑞士 onefive 公司的 Origami。其变换限制的孤子脉冲发射，在不同的波长和不同的重复频率下，提供衍射极限的光束质量和指向稳定性。

为了能在恶劣环境中工作，Origami 封装在采用风冷和密封外壳内，专为高稳定性和低漂移而设计。onefive 公司的 Origami（<100fs，高达 5nJ）、Origami HP（<100fs，高达100nJ） 和 Origami XP（<400fs） 等飞秒激光器产品，是超低噪声计时和频率梳应用的理想选择。OrigamiXP（<400fs，>40μJ）非常适用于飞秒眼科学（LASIK 和白内障手术）和材料微加工应用。

多波长输出

德国Toptica Photonics 公司的FemtoFiber 系列飞秒光纤激光器使用饵光纤和镱光纤，能够提供多种输出选择 ：1560nm/780nm、可见 / 近红外可调谐输出，红外 / 近红外超连续谱和短脉冲型号，可用于非线性显微、双光子聚合、时域太赫兹和阿秒科学应用，并且还可以用作种子激光器。

可饱和吸收镜（SAM）锁模和保偏光纤技术，使得交钥匙型FemtoFiber ultra 系列可用于生命科学、阿秒科学、光学相干断层扫描（OCT），以及工业 / OEM 集成应用，这些应用通领域常缺乏具有激光专业知识的工程师。FemtoFiber 激光器的光纤振荡器，可用于为一个或多个光学放大器提供种子源。同步的多个激光器系统，有益于诸如频率计量和泵浦 - 探测实验等应用。

Toptica FemtoFiber dichro 系列从同一孔径输出不同波长的两路同步激光束。该平台设计上特别注重经常需要不止一种颜色的应用，如生物光子学应用，包括双光子荧光和二次谐波产生（SHG）显微。

FemtoFiber dichro bioMP 型号从一个孔径发射亚 150fs 脉冲，输出波 长 780nm（>500mW） 和 1050nm（>1000mW），可独立调制强度、脉宽（啁啾）以及相应的脉冲间延迟，这些可调节的参数在活体细胞多色双光子成像、宽带相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）、受激拉曼光谱（SRS）研究，以及泵浦 - 探测实验和脉冲受激发射耗尽（STED）显微（见图 4）应用中，能够大显身手。
 

MOPA功率

英国 Fianium 公司（2016 年初被NKT Photonics 公司收购）的光纤激光器系列产品基于主振荡功率放大器（MOPA）构建模块，生产输出皮秒或飞秒光学脉冲的锁模激光器光源。Fianium 提供的高平均功率（>20W）和高能量系统，能以兆赫兹重复频率到单次发射工作，光谱范围覆盖240~2500nm。

Fianium 公司的超连续谱（SC450-4）或“白光”光纤激光器发射超宽光谱，通常从紫外到超过 2μm，并具有激光般的光束质量。所有 Fianium 公司的超连续谱激光器，均以兆赫兹重复频率提供皮秒脉冲，使它们与稳态应用中的 CW 源或寿命测量中的脉冲光源同样有效。单个超连续谱激光器，配合可调谐滤光片使用，可以在一系列应用中取代无限数目的单频激光器。Fianium 公司的 FemtoPower 激光器，采用被动锁模 MOPA 结构，输出波长 1064nm、具备高平均功率和固定重复频率。也可以提供脉宽 200fs的 532nm二次谐波。

Fianium 公司可机架安装的 HighEnergy系列光纤激光器，能够提供高达 10μJ 的脉冲能量。其内部集成输出调制器，允许用户定制从单次发射到高达 1MHz 的连续模式的输出。该产品线具有 <500fs 脉宽的选项，最大平均功率 2W，以及 <5ps 的选项产生 5W 的功率，适用于更高能量的应用，包括微结构和纳米结构、组织消融和眼科手术。

LightWire FF1000 为非线性显微（双光子、SHG）应用进行了优化。高平均功率（1.5W）、短脉宽（80fs）以及良好的光束质量，结合在一起获得样品的锐利、明亮图像。1030nm的激光发射波长，对深激发和收集来自组织的光都非常理想。飞秒脉冲的高峰值功率（625kW），也在许多其他非线性光学应用中有着广泛的用武之地，如太赫兹产生或双光子聚合。

基于完善的MOPA方案，立陶宛EKSPLA公司的 1030nm、平均功率 1.5W 的 LightWire FF1000 激 光 器，专门为非线性显微（双光子、SHG）应 用 进 行 了 优 化， 脉 宽 低 至 80fs。LightWire FF50 飞秒光纤激光器，能在1064nm 波长提供 <130fs 的脉宽，是传统钕钇铝石榴石（Nd ：YAG）激光器的低成本、紧凑及坚固的替代产品。
 

中红外选择以及更多

美国 IPG Photonics 公司的红外脉冲光纤激光器，提供 1.03~1.06μm、1.55~1.65μm、2.09μm 以及 2.1~2.6μm的波长。非线性外部转换产生绿光输出，皮秒和飞秒脉冲选择提供 1.5μm处达 10W、1.06μm 处达 100W，或者0.52μm 处达 5W 的二次谐波源。

这些飞秒选择的范围从 400fs 到600fs，重复频率高达 3MHz，IPG 的CLPF 超快振荡器提供 40fs 脉冲，在2.1~2.6μm 范围内提供客户选择的固定波长，重复频率 80~800MHz，输出功率 2W。IPG 的超快放大器提供了在 2~3μm 光谱范围内，实现数瓦输出功率的能力。克尔透镜锁模振荡器和超快放大器头，由 IPG 的连续光纤激光器泵浦，满足了一系列科学和生物医学应用的需求。

所有的飞秒光纤激光器制造商继续提升超快架构的性能，包括更宽的波长范围、更短的脉冲以及更多的功率输出选项，以应对下一代材料研究和加工的挑战。（文/Subhash Singh，Nick Reilly，Chunlei Guo）

北京时间1月9日早间消息，谷歌上周日在底特律车展的一场预展中披露了应用在克莱斯勒Pacifica中的最新无人驾驶系统，并表示这项技术比以往更可靠，价格也更低廉。

此次展示来自谷歌Waymo部门负责人约翰·克拉夫西克（John Krafcik）。该公司一直在寻找合作伙伴与之共同开发无人驾驶技术，并将其应用到真车中。但目前为止只与菲亚特-克莱斯勒展开了合作，丰田汽车也有望与之达成协议。

克拉夫西克表示，Waymo最新的无人驾驶硬件和软件整合了一系列新的传感器，包括升级的视觉系统、雷达和激光雷达等，这都是由谷歌自行开发和生产的。

克拉夫西克表示，Waymo已经将激光雷达成本降低了90%，单价约为7500美元。作为该项技术的主要外部供应商，Velodyne Lidar和Quanergy Systems都曾经表示，他们正在开发体积更小的固态激光雷达组件，最终价格将降至200美元甚至更低。

Waymo目前正在测试无人驾驶汽车，包括一些经过改造的雷克萨斯RX450和谷歌自己的Firefly原型车。这些车不到8年时间行驶里程就接近250万英里，主要都在城市街道上行驶。

克拉夫西克表示，Waymo计划本月在加利福尼亚和亚利桑那的公共道路上测试带有无人驾驶功能的Pacifica。他并未透露这套系统将于何时安装到量产车中。

德尔福和Mobieye曾经表示，他们合作开发的无人驾驶系统将从2019年开始面向汽车厂商出售。
    福特、通用汽车和宝马也都表示将于2021年推出无人驾驶汽车。

瑞士科研人员近日借助3D打印技术，制造出了全球首个形状、大小以及功能都与真人心脏高度相似的柔性心脏。虽然这种人造心脏仍处于概念性测试阶段，还不能用于移植，但为相关研究提供了新思路。

    苏黎世联邦理工大学的尼古拉斯·科尔斯等人在新一期美国《人造器官》期刊上报告说，这种人造心脏使用柔软硅胶材料，由3D打印和石蜡铸造技术制作而成，它重390克，容积679立方厘米。
    新型人造心脏是一个内部结构复杂的硅胶整体，包含一个右心室和一个左心室，有一个额外腔室将两个心室隔开。这个腔室起着类似肌肉的功能，能像泵一样驱动血液进出心脏。
    目前常用的人造心脏血泵等装置虽可泵送血液，但其机械部件易给使用者带来不良影响。科尔斯说：“因此，我们的目标是开发一种大小与患者心脏大致相同的人造心脏，尽可能地模仿人体心脏的形态和工作方式。”
    不过，现在这种人造心脏还处于测试阶段。

机器人激光切割的优势
 

随着汽车业、军工及重工等行业的飞速发展，这些行业中的三维钣金零部件和特殊型材的切割加工呈现小批量化、多样化、高精度化的趋势。工业机器人和光纤激光所组成的机器人激光切割系统一方面具有工业机器人的特点，能够自由、灵活的实现各种复杂三维曲线加工轨迹，另一方面采用柔韧性好、能够远距离传输激光光纤作为传输介质，不会对机器人的运动路径产生限制作用。相对于传统的加工方法，机器人激光切割系统在满足精确性要求的同时，能很好地提高整个激光切割系统的柔性，占用更少的空间，具有更高的经济性和竞争力。

ABB机器人相关技术
 

与点焊、搬运等运动控制所不同的是，激光切割是基于连续工艺状态下的运动控制，除了要求机器人具有较高的运动点的精度和重复定位精度外，还对机器人运动的轨迹即机器人的直线和圆弧轨迹插补的精度提出了很高的要求。激光切割中的倒角切割和小圆切割的精度和稳定性能够很好的衡量机器人的运动控制能力。ABB利用自身强大的研发实力开发了一系列的高端技术，来满足市场的需求。所开发的True Move和Quick Move技术能够很好地解决高速情况下倒角切割的精度问题，Advanced Shape Tuning和Wrist Move技术则能够很好地解决小圆切割的精度问题。同时，结合ABB的离线编程仿真软件Robot Studio和良好的人机交互接口Flexpendant及人机界面，使得整个激光切割系统在满足客户技术要求的前提下，容易操作及管理。

1、True Move和Quick Move技术
 

如图1所示，传统机器人在低速情况下实际路径与编程路径相吻合，但是在高速情况下做转弯运动时，实际路径就会偏离编程路径。基于高级前馈伺服控制技术的True Move极大的提升了运动控制精度，解决了机器人在高速情况下实际运动路径偏离编程路径的问题，真正实现了所编即所得。

如图2所示，传统机器人在速度上升和下降的过程中加速度保持不变，相应的完成一个动作节拍的时间也较长。基于高级动力模型控制技术的Quick Move可以精确控制机器人的加减速度和稳定速度，通过使机器人任意时刻的加速度最大化来减少动作节拍时间。 

2、Advanced Shape Tuning和Wrist Move技术
 

ABB开发的Advanced Shape Tuning软件能够补偿机器人轴摩擦力功能，对机器人在走复杂的三维切割路径时的微小抖动、共振等情况做及时、精确的补偿。这些功能包含在机器人的选项中，应用时客户只需要调用相应的功能模块，机器人就能根据指令重复走所编程的路径并且自动获得各个轴的摩擦参数。

Wrist Move是使机器人在切割时1、2、3轴不动，只有机器人运动末端4、5、6轴进行运动，这就避免了1、2、3轴运动时轴摩擦力对小圆切割路径造成的不良影响。

3、离线编程仿真和人机交互接口
 

Robot Studio是ABB开发的离线编程与仿真软件，可在电脑上完成几乎所有的机器人编程与仿真。如图3所示，通过Robot Studio能够实现十分逼真的模拟，并且所用的均为实际使用的机器人程序和配置文件。配合ABB Absolute Accuracy校正系统，可以使模拟结果达到很高的精度。Robot Studio还可方便地导入IGES、STEP、CATIA等主流CAD格式数据，然后依据这些精确的数据编制机器人程序。使用软件中的AutoPath功能，仅在数分钟之内便可自动生成跟踪加工曲线所需要的机器人位置(路径)，很好地解决了激光切割中复杂切割曲线无法通过示教产生的问题，大大节约了编程时间。

ABB机器人采用触摸屏式的示教器FlexPendent，配合示教器上的摇杆和简洁的按键设计，使用十分方便。同时，ABB新开发的专用切割操作软件具有良好的激光切割人机界面，将切割参数设置、轴摩擦力调整及I/O监控等界面以图形化、数字化等形式显示在示教器上，界面十分友好，便于使用人员对系统进行状态监控和操作。

相关应用案例
 

ABB 2600型机器人所构建的激光切割系统很好地体现了ABB机器人在激光切割应用领域相关的技术，下面以此为应用案例进行介绍。

1、 系统组成
 

机器人激光切割系统外部布局和内部布局分别如图4和图5所示。整个系统主要由ABB IRB 2600机器人及MTC750转台(图6a)、IPG激光器及水冷设备(图6b)、Precitec激光切割头(图6c)、RIP烟尘净化设备组成(图6d)。

1) IRB 2600机器人具有同类产品中最高的定位精度及加速度，可确保高产量及低废品率从而提高生产率。所切割的钣金件安放在MTC750转台上。应用ABB机器人的MultiMove功能，机器人和转台能够协同运动，且能达到很高的运动精度，从而保证工件的激光切割精度。

2) 激光发生器及水冷设备选用IPG公司的，型号为YLS-1000，激光最大功率为1000 W。激光采用光纤传输，经聚焦后作为切割热源，使工件被照射处的材料迅速熔化，同时用与激光束同轴的高速气流来吹除熔融物质，以形成空洞，随着光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而使孔洞连续形成一定形状的切缝，完成对工件的激光切割。

3) 激光切割头选用Precitec公司YRC型切割头，该切割头除了具有用来聚焦激光的聚焦透镜以及相应的光纤插口、水冷和气体连接口外，还具有高度传感器，能够进行防碰撞保护和自动浮动调焦。该功能可以有效地提高激光切割质量。

除此之外，为了防止激光切割过程中所产生的激光辐射和烟尘污染，2600机器人和MTC750转台都放置在工作房内，整个加工过程在工作房内进行，用于观察切割过程和上下料的窗口均采用特制的激光防护玻璃，产生的烟尘在加工过程中利用RIP净化设备及时抽走，从而保证了整个激光切割系统的安全性。

2、系统特点
 

1) 采用ABB离线编程与仿真技术，显著缩短了整个系统的编程和调试的时间，提高了整体生产效率。大部分机器人编程均可在Robot Studio环境下完成。首先将相关的机器人、转台模型，以及Precitec激光切割头、所加工工件的三维模型导入到Robot Studio中，应用AutoPath功能根据工件形状模型自动生成编程路径，必要时进行路径优化和碰撞检测。然后通过虚拟运行机器人程序，在Robot Studio虚拟三维环境中能够直观的观察机器人的运动路径，以便进行修改和调整。最后将确定好的机器人程序下载至实际的机器人控制器中，进行少量的实际调试即可完成整个系统的机器人编程。实际生产中应用该技术，无论是投产还是换线，机器人编程均可提前准备就绪，大大降低了在生产现场调试和停机中断生产的时间，提高了生产效率，扩大了机器人系统投资回报。

2) 采用ABB机器人True Move和Quick Move技术，最大程度地保证了机器人的运动精度和速度。同时利用Advanced Shape Tuning对2600机器人6个轴的摩擦力进行补偿，提高了机器人自身运动精度，最大程度地降低了机器人运动误差对激光切割质量的不良影响。

3) 高质量的激光切割效果除了要求机器人自身应具有很高的运动轨迹精度外，良好的切割工艺也是必备因素。切割工艺涉及到切割速度和加速度、激光功率、焦点位置、吹气量等多种因素的综合调节。图7为工艺调整后切割出的小圆，直径分别为Φ6，Φ8，Φ10，Φ12，Φ14，Φ16，Φ20，Φ30，可以看出切割后的小圆热变形很小，边缘光洁，无明显缺陷。经测量，小圆的轨迹误差约为0.1~0.25 mm，说明基于ABB机器人的激光切割系统具有很高的运动精度和切割精度。

结语
 

ABB机器人激光切割系统既具有机器人运动灵活，柔性高的特点，又具有激光切割的切割速度快、质量好、切缝窄等优点，很好地满足了现代制造业发展的要求；同时借助ABB机器人在激光切割领域的相关技术，不仅在技术上能够满足复杂三维切割的要求，有助于提高工业产品的质量水平，同时降低了生产成本，能够给企业带来巨大的经济效益。