深耕13年突破技术瓶颈！让飞秒激光“切得净”“切得快”｜2024上海市科学技术奖

给激光装上“自动驾驶系统”

攻克工业稳定性、精密测控等难题

高稳定度飞秒激光脉冲对于激光加工与精密制造至关重要。飞秒激光器对于环境扰动异常敏感，存在稳定启动难和稳定性差等问题。

据项目团队介绍，该研究首次揭示了锁模孤子爆炸新机理，发现飞秒激光锁模稳定前存在脉冲孤子爆炸现象，且孤子爆炸与锁模超稳态间存在必然性。在此基础上，发明了自启动智能化控制和全保偏非线性锁模技术，就像给激光装上了“自动驾驶系统”。

这项突破使飞秒激光在复杂工况下功率抖动仅0.09%，优于常规方法1个数量级，时间精度达到18阿秒（1阿秒=10⁻¹⁸秒），创造了工业级飞秒激光稳定性的新纪录。诺贝尔物理学奖得主Hänsch评价该技术“实现了42飞秒、109瓦的光频梳，”性能国际领先。

图注：飞秒光纤光梳及飞秒激光器

项目团队还介绍说，一方面，飞秒激光频率精密测控，对实现精准加工与切割至关重要。飞秒激光在长时间连续运转情况下，存在激光相干性退化和环境噪声引起的频率漂移及相位畸变等问题。项目发明了自适应光频梳精密测控技术，提出“粗跟踪，细补偿”自适应控制方案，精确跟踪频谱漂移，实时补偿修正光场相位，实现了飞秒激光器1200小时连续运行情况下，频率漂移小于1Hz。

另一方面，传统激光加工依赖机械位移平台，精度和效率都受到限制。项目发明了飞秒等离子体光栅自耦合拼接技术，就像用光“编织”出一把纳米尺子，摆脱了对机械平台的依赖，加工精度达到纳米级，比传统方法提升10倍以上。欧盟物理学会前主席Dudley称赞这是“最优控制技术的典范”。

研制全球首台量产型

飞秒激光隐形切割装备

已应用于国内多家家龙头企业

激光隐切常采用大功率单色激光聚焦在待切割材料上，通过反复扫描，实现材料纵向改质，切割效率较低。针对第三代半导体材料加工难题，项目发明多色光丝与大幅面阵列操控技术，飞秒激光与等离子体协同操控，实现了激光在碳化硅、蓝宝石等材料上的“一刀切”。研制国际上首台SiC晶圆隐形切割量产装备，划片速度达1200mm/s，良率99.5%，切割速度与效率等比进口的刀轮划片高8-10倍。这项突破打破了国外技术垄断，已在国内龙头企业应用，助力晶圆月产能从2000片跃升至8400片。

项目团队告诉记者：“在项目成果超短脉冲SiC晶圆隐形划片装备的落地实践上，我们做了多次工业环境适应性强化，以国内龙头芯片生产企业为例，其量产线对设备稳定性要求严苛，2020年设备接入后，设备实现连续无故障运行1000小时以上，助力三安SiC晶圆月产能从2000片提升至8400片，大幅提升了第三代半导体芯片制备效率。”

据介绍，本项目成果将在国家多个关键战略领域发挥重要作用。例如，在半导体制造方面，它实现了新一代半导体晶圆的超高速、高精度切割，划片速度达1200mm/s，良率99.5%，切割速度与效率等比进口的刀轮划片高两个数量级，批量广泛应用于第三代半导体芯片制造等企业，SiC功率器件批量应用于比亚迪新能源汽车电驱系统，成为推动车规级器件发展与新能源车性能跃迁的核心推手。

构建自主知识产权体系

服务国家战略需求

项目团队告诉记者：“研究突破了超快激光精密测量关键技术，研制的高精密激光装备已成功应用于航天510所、504所等机构，攻克了非接触式航天舱体分压快速实时测量监测的世界性难题，支撑航空航天极端环境下的高精度测量创新发展。此外，项目关键技术也成功应用于高压变电站泄露气体检测、燃烧组分/温度测量、THz技术开发、医学检测与成像等领域，有力推动了我国高端精密测量、加工及检测设备的研发与产业化进程。”

项目获授权中国发明专利77项，美国发明专利18项，发表论文50余篇，形成飞秒光梳、高功率光纤激光器、高精度光梳光谱仪、飞秒光丝精密加工装备、SiC晶圆隐形切割量产装备等产品35款，2项成果入选Nature子刊评选的《激光诞生60周年精选论文》（共25篇），近三年直接经济效益超15亿元，应用于国家电网安全监测、半导体精密加工等重要领域，提升了我国在超快激光与精密制造领域国际竞争力。