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域工作的具體負責人：他們是Cailabs 公司工業(yè)應用產(chǎn)品線經(jīng)Gwenn Pallier 和Alphanov 公司納米級激光加工與健康應用集團經(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)和應用中展現(xiàn)出了前景。

　　EO：超快激光在哪些市場和工業(yè)應用中得到廣泛應用？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用。它們也越來越多地用于半導體行業(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，更多的應用和市場也開始出現(xiàn)。例如該技術的一個前景廣闊市場是電池制造，預計在不久的將來會有大幅增長。這種紋理箔是生產(chǎn)充電速度更快、容量更大的電池的關鍵。

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

　　Laura Gemini：2018 年，Alphanov 是當時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”項目框架內完成的。在這里，我們展示了在大型表面上實現(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 平方米的模具進行了紋理加工。這一工藝使洗碗機的生產(chǎn)和后續(xù)操作中節(jié)省了大量的能源和水。因此，我們對這個項目的成果非常滿意，它是大型部件高通量表面功能化的首批示范項目之一。

　　Tresclean 項目的另一個后續(xù)項目是“Newskin”，旨在進一步提高表面功能化的生產(chǎn)能力。我們開發(fā)了一種輥對輥設備，使用320W 的平均功率、5MHz 的重復頻率和50m/s 的掃描速度，以15cm2/s 的速度對數(shù)米長的金屬板進行紋理加工。因此，它的速度非?？欤に囃掏铝恳卜浅８撸糠昼娞幚砥椒矫祝?。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)化應用。

　　Gwenn Pallier：在Newskin 項目中，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，并在焦點處實現(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，因為他們無需精確對準DOE 和棱鏡等光學元件。

　　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，與使用較厚的光學元件相比，通過光學線路發(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)的結構（以及表面特性）。另一項實驗還表明，在使用DLIP 對不銹鋼進行表面紋理加工時，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?。斆保┘す馐膬?yōu)缺點。

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

　　因此，光束整形模塊確實能夠在實現(xiàn)出色的表面紋理效果的同時，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)會阻礙超快激光表面紋理技術的廣泛應用？

　　Laura Gemini：在我看來，目前的主要問題是整合機器的能力，使其真正能夠以高產(chǎn)能對復雜的三維產(chǎn)品進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性的機器人系統(tǒng)。如果我們要充分開發(fā)這項技術，就必須做到這一點。

　　今年年初，我們開始在機械臂上集成Amplitude 飛秒激光器，將光束導入空芯光纖。我們能夠利用該系統(tǒng)以極高的吞吐量和不同的角度實現(xiàn)納米級分辨率的紋理加工。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，以真正實現(xiàn)高通量三維復雜表面功能化的目標。

　　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于快速增長的應用領域，如電池制造，那么提高產(chǎn)量將是至關重要的，尤其是如果內燃機汽車將從2035 年起在歐盟停止生產(chǎn)，而歐洲議會、歐盟委員會和歐盟成員國目前正在就這一問題進行討論。

　　Laura Gemini：此外，雖然高平均功率飛秒激光器的出現(xiàn)是一個巨大的突破，但該技術的成本仍需進一步降低。盡管我們可以利用掃描儀和光束整形技術提高超快激光加工的吞吐量，使其能夠為工業(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，就必須進一步優(yōu)化激光源的生產(chǎn)工藝。

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

　　Laura Gemini：我們可以看到，在激光表面功能化領域出現(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，以至于他們入圍了今年Laser 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：我想提及的一個項目是Multiflex 項目，該項目由Amplitude、弗勞恩霍夫ILT 和Lasea 等合作伙伴共同實施。在亞琛的弗勞恩霍夫ILT，已經(jīng)開發(fā)出一種工業(yè)規(guī)模的激光機原型，它將超快激光源與光束整形設備結合在一起，實現(xiàn)了高通量加工。他們正在對系統(tǒng)進行校準和調整，項目將很快結束。對于那些有興趣參觀這臺機器的人，我建議參加明年在弗勞恩霍夫國際激光技術研究所舉行的AKL 會議，他們會允許與會者參觀他們的研究所，了解他們正在進行的各種項目。屆時，這臺機器應該會工作得很好。

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