在今年的Laser World of Photonics 2023 上，LaserSystems Europe 在激光材料加工論壇上主持了一場小組討論。Mark Elliott 和Matthew Dale 采訪了兩位在超快激光材料加工領(lǐng)域工作的具體負(fù)責(zé)人：他們是Cailabs 公司工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品線經(jīng)Gwenn Pallier 和Alphanov 公司納米級(jí)激光加工與健康應(yīng)用集團(tuán)經(jīng)理Laura Gemini 博士。

　　Gwenn 和Laura 討論了最新的光束整形解決方案和正在開發(fā)中的集成系統(tǒng)，這些解決方案和系統(tǒng)使平均功率越來越高的超快激光器能夠用于高通量表面紋理加工，這在廣泛的行業(yè)和應(yīng)用中展現(xiàn)出了前景。

　　EO：超快激光在哪些市場和工業(yè)應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用？Gwenn Pallier：超快激光器制造商接到的一些最大訂單來自顯示器制造市場，這在亞洲尤為突出。在這里，超快激光器被用于OLED 面板切割和鉆孔等應(yīng)用。它們也越來越多地用于半導(dǎo)體行業(yè)的晶片切割和切割。

　　然而，隨著平均功率的提高和超快激光加工吞吐量的增加，更多的應(yīng)用和市場也開始出現(xiàn)。例如該技術(shù)的一個(gè)前景廣闊市場是電池制造，預(yù)計(jì)在不久的將來會(huì)有大幅增長。這種紋理箔是生產(chǎn)充電速度更快、容量更大的電池的關(guān)鍵。

　　EO：將高功率超快激光器與新的光束整形技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)怎樣的吞吐量？

　　Laura Gemini：2018 年，Alphanov 是當(dāng)時(shí)歐洲首批安裝振幅公司350W Tangor 飛秒激光系統(tǒng)的中心之一，這是在“Tresclean”項(xiàng)目框架內(nèi)完成的。在這里，我們展示了在大型表面上實(shí)現(xiàn)更高的激光紋理加工吞吐量的可能性。例如在使用200W 平均功率、10MHz 重復(fù)頻率和200m/s掃描速度的情況下，我們以12cm2/s 的速度對表面積約為1 平方米的模具進(jìn)行了紋理加工。這一工藝使洗碗機(jī)的生產(chǎn)和后續(xù)操作中節(jié)省了大量的能源和水。因此，我們對這個(gè)項(xiàng)目的成果非常滿意，它是大型部件高通量表面功能化的首批示范項(xiàng)目之一。

　　Tresclean 項(xiàng)目的另一個(gè)后續(xù)項(xiàng)目是“Newskin”，旨在進(jìn)一步提高表面功能化的生產(chǎn)能力。我們開發(fā)了一種輥對輥設(shè)備，使用320W 的平均功率、5MHz 的重復(fù)頻率和50m/s 的掃描速度，以15cm2/s 的速度對數(shù)米長的金屬板進(jìn)行紋理加工。因此，它的速度非常快，工藝吞吐量也非常高（每分鐘處理平方米）。這一切都得益于高功率飛秒激光系統(tǒng)、新型光束整形模塊和高速多邊形掃描頭的商業(yè)化應(yīng)用。

　　Gwenn Pallier：在Newskin 項(xiàng)目中，Alphanov 測試了Cailabs公司生產(chǎn)的兩種不同的光束整形模塊：Canunda-Split 和Canunda-Pulse。Canunda-Split 用于分割光束，并在焦點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)直接激光干涉圖案化（DLIP），這正是用于表面紋理加工的方法。該模塊為Alphanov 帶來了極大的便利，因?yàn)樗麄儫o需精確對準(zhǔn)DOE 和棱鏡等光學(xué)元件。

　　由此產(chǎn)生的方形激光光束可以很好地控制光束重疊，從而使整個(gè)加工過程更容易控制，提供了更大的加工窗口，使加工過程更加可靠和穩(wěn)定。此外，與使用較厚的光學(xué)元件相比，通過光學(xué)線路發(fā)生的色散要少得多，這使得干涉圖案的對比度更高，從而能更好地控制所生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)（以及表面特性）。另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還表明，在使用DLIP 對不銹鋼進(jìn)行表面紋理加工時(shí)，改用頂帽光束形狀可使均勻性提高5 倍。

　　Canunda 脈沖用于在鋁材上制作表面波紋，這種波紋在湍流中具有防拖拽效果。研究的目的是比較使用高斯激光束還是方形打印（頂帽）激光束的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　Alphanov 證明，該模塊可用于產(chǎn)生方形激光束，從而在生產(chǎn)波紋時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的控制，只需一次通過即可生產(chǎn)出非常堅(jiān)硬的波紋。而使用高斯光束則無法做到這一點(diǎn)。

　　因此，光束整形模塊確實(shí)能夠在實(shí)現(xiàn)出色的表面紋理效果的同時(shí)，大幅提高加工吞吐量。Alphanov 演示了使用1030nm 飛秒激光將高斯光束轉(zhuǎn)換為尖銳的方形印刷光束后，表面波紋的生成速度提高了10 倍以上。

　　EO：還有哪些挑戰(zhàn)會(huì)阻礙超快激光表面紋理技術(shù)的廣泛應(yīng)用？

　　Laura Gemini：在我看來，目前的主要問題是整合機(jī)器的能力，使其真正能夠以高產(chǎn)能對復(fù)雜的三維產(chǎn)品進(jìn)行高分辨率超快激光表面紋理加工。這就需要開發(fā)能夠提供幾十微米甚至更低定位精度和可重復(fù)性的機(jī)器人系統(tǒng)。如果我們要充分開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，就必須做到這一點(diǎn)。

　　今年年初，我們開始在機(jī)械臂上集成Amplitude 飛秒激光器，將光束導(dǎo)入空芯光纖。我們能夠利用該系統(tǒng)以極高的吞吐量和不同的角度實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率的紋理加工。這對我們來說是第一次，因此我們非常期待繼續(xù)在這方面開展工作，以真正實(shí)現(xiàn)高通量三維復(fù)雜表面功能化的目標(biāo)。

　　Gwenn Pallier：在我看來，目前的主要挑戰(zhàn)在于超快激光器的生產(chǎn)速度。據(jù)我所知，超快激光器制造商很難滿足目前全球的所有激光器需求。雖然這些公司的規(guī)模和產(chǎn)能都在不斷增長，但仍然不夠。因此，如果超快激光器要服務(wù)于快速增長的應(yīng)用領(lǐng)域，如電池制造，那么提高產(chǎn)量將是至關(guān)重要的，尤其是如果內(nèi)燃機(jī)汽車將從2035 年起在歐盟停止生產(chǎn)，而歐洲議會(huì)、歐盟委員會(huì)和歐盟成員國目前正在就這一問題進(jìn)行討論。

　　Laura Gemini：此外，雖然高平均功率飛秒激光器的出現(xiàn)是一個(gè)巨大的突破，但該技術(shù)的成本仍需進(jìn)一步降低。盡管我們可以利用掃描儀和光束整形技術(shù)提高超快激光加工的吞吐量，使其能夠?yàn)楣I(yè)所利用，但激光源本身和集成激光器的成本都必須降低。因此，要想充分降低成本，就必須進(jìn)一步優(yōu)化激光源的生產(chǎn)工藝。

　　EO：您還想提及哪些實(shí)體正在幫助超快激光表面紋理加工實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化？

　　Laura Gemini：我們可以看到，在激光表面功能化領(lǐng)域出現(xiàn)了很多初創(chuàng)公司，而這在五年前是完全沒有的。其中之一是Fusion Bionics 公司，這是一家從弗勞恩霍夫IWS 分拆出來的公司，為基于DLIP 的工藝開發(fā)工業(yè)模塊，前景非常廣闊，以至于他們?nèi)雵私衲闘aser Worldof Photonics 2023 的決賽！我們期待與他們開展合作。另一家公司是位于克里特島的 Biomimetic，它是首家將激光處理玻璃用于防霧和防反射應(yīng)用的公司。這兩家初創(chuàng)公司都做了令人印象深刻的工作，我期待在未來幾年看到更多這樣的公司出現(xiàn)。

　　Gwenn Pallier：我想提及的一個(gè)項(xiàng)目是Multiflex 項(xiàng)目，該項(xiàng)目由Amplitude、弗勞恩霍夫ILT 和Lasea 等合作伙伴共同實(shí)施。在亞琛的弗勞恩霍夫ILT，已經(jīng)開發(fā)出一種工業(yè)規(guī)模的激光機(jī)原型，它將超快激光源與光束整形設(shè)備結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了高通量加工。他們正在對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整，項(xiàng)目將很快結(jié)束。對于那些有興趣參觀這臺(tái)機(jī)器的人，我建議參加明年在弗勞恩霍夫國際激光技術(shù)研究所舉行的AKL 會(huì)議，他們會(huì)允許與會(huì)者參觀他們的研究所，了解他們正在進(jìn)行的各種項(xiàng)目。屆時(shí)，這臺(tái)機(jī)器應(yīng)該會(huì)工作得很好。

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