飞秒激光赋能光学仪器制造：突破光阑片与狭缝加工极限

中国高端光学元件的精密加工长期面临 “卡脖子” 困境。据行业报告显示，国内 80% 以上的高精度光阑片、狭缝等核心器件仍依赖进口，尤其是在航天遥感、高端医疗设备等领域，高度依赖进口。这一现状的根源在于超精密光学加工及技术壁垒。而飞秒激光作为第四代工业加工技术，以其超短脉冲（10⁻¹⁵秒量级）、超高峰值功率的特性，成为解决光学元件精细化加工的关键。本文主要介绍其在光学仪器领域的应用。

一、光阑片与狭缝应用

光学仪器的 “瞳孔” 与 “神经”

光阑片与狭缝作为光学系统的核心元件，广泛应用于：

• 显微镜与成像系统：控制光通量与景深，提升成像清晰度；

• 光谱仪与分光设备：调节光信号带宽，保障光谱分析精度；

• 激光加工设备：作为光束整形的关键部件，优化能量分布；

• 医疗光学器械：如眼底扫描仪，实现微米级光斑定位。

其性能直接影响光学仪器的分辨率、灵敏度及可靠性，堪称光学系统的 “光学开关” 与 “信号调节阀”。

二、三大加工技术难点

1. 极限尺寸精度：边缘粗糙度要求高，避免光散射导致信号失真。光阑孔径低至15μm，狭缝宽度低至5μm（相当于头发丝的1/10）。

2. 材料适配性挑战：硬脆材料（如氧化锆陶瓷、碳化硅）易崩边；超薄金属（如50μm不锈钢）易热变形。

3. 复杂结构成型：微孔阵列、渐变孔径、非对称狭缝等特殊结构需定制化加工。

在光学检测设备中，每个核心器件的精度与可靠性直接决定设备性能上限——微米级瑕疵即可引发链式反应，导致制程失准、检测速率骤降及良率滑坡。以高端光谱仪为例，传统工艺加工的狭缝片边缘毛刺会引发光信号散射，造成光谱分辨率下降超30%，而飞秒激光的亚微米冷加工技术可彻底消除此类缺陷，为光学系统提供‘零妥协’的精密保障。

三、飞秒激光 vs 传统加工：降维打击下的技术革新

核心优势：飞秒激光具有广泛的材料适用性、超高的加工精度和无热效应等优势，能够解决传统加工方式难以实现的超精细、无损伤、无材料选择性等加工瓶颈。

四、光阑片/狭缝极端微纳加工实战案例

 案例1：光学仪器狭缝片飞秒激光切割

需求：在厚度0.1mm的钼片，加工宽度不一的狭缝，最小宽度5微米，边缘光滑无毛刺。

解决方案：

• 单色方案：

• 采用自主研发的飞秒激光精密切割设备（1030/515/343nm）

• 多轴运动控制系统、高精度视觉定位系统、检测系统，针对性光路设计，实现全自动洁净切割，大幅提升加工效率。

• 成果：

• 狭缝宽度不一，最小为4.8um，精度±1μm；

• 切割边缘无碳化、无毛刺、无对壁结构损伤。

案例2：钨片光阑飞秒激光制孔

需求：在厚度0.1mm的钨片，加工大小不一的微孔，最小孔径15微米，边缘光滑真圆度高。

解决方案：

• 单色方案：

• 采用自主研发的五轴飞秒异型微孔成型设备；

• 高自由度、高速光束扫描系统，可灵活调控加工轨迹，实现正锥度、无锥度、刀锥度微孔成形加工。

• 成果：

• 孔径最小为15.7um，精度±2μm；

• 边缘无毛刺、真圆度高。

五、飞秒激光未来方向

据报告显示，2017年全球激光市场规模达到124.3亿美元，较2016年同比增长18%。在国际激光市场保持活力的同时，中国激光产业也进入快速发展时期，2017年全行业规模达到495亿元人民币，增长率超过25％，预计今年有望突破600亿元大关。随着工业需求的持续增长与技术迭代升级，飞秒激光微加工技术将向提升技术成熟度、降低加工成本、提高生产效率方向持续突破，成为支撑高端制造产业升级的核心技术之一。

六、关于单色科技

深圳单色科技有限公司作为高新技术企业，技术团队深耕精密激光加工制造业十余年，以“极端精密制造解决方案提供商”为定位，专注为生物医疗、航空航天、半导体等行业提供极端微纳制造解决方案。公司具备先进的光束整形技术、自主开发软件算法、多学科交叉工艺研究、自主控制系统，将持续加速培育新质生产力，已赋能全国400 + 客户，为我国高端装备制造提供创新驱动力。

文章参考：

《半导体光学主题报告：半导体设备基石，国产超精密光学未来可期》（中信证券，2023）

《飞秒激光微纳加工技术研究进展》（《中国激光》，2022）

《2018中国激光产业发展报告》（中国科学院武汉文献情报中心、国激光杂志社、中国光学学会，2018）