無論是焊接還是表面結構，激光現(xiàn)在都是許多工業(yè)過程中不可或缺的一部分。 它在未來的應用中仍有很大的潛力。

激光在汽車工業(yè)中可靠地切割和焊接車身面板和變速箱部件。他們使用激光熔敷焊接技術修復航空工業(yè)中的渦輪葉片，并使用激光粉末床熔合工藝為航天工業(yè)生產定制和輕量化部件。短脈沖激光器通過其鉆孔、切割或構造能力，在電子行業(yè)為新設備的小型化做出了巨大貢獻。綜上所述：激光是一種全方位的工具，已在眾多行業(yè)中站穩(wěn)腳跟。

圖1在Fraunhofer卓越CAPS集群中開發(fā)的低噪聲量子變頻器的實驗室原型。

通過形成和引導光束，定制的激光可以精確地適應相關過程。波長是專為被加工材料選擇的。激光工具仍然提供了工業(yè)和科學目前正在發(fā)現(xiàn)的許多未被發(fā)現(xiàn)的潛力。創(chuàng)新的激光束源可以實現(xiàn)新的或改進的生產工藝。相反，尚未解決的生產過程困難需要新的激光束源或對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造。

德國亞琛Fraunhofer激光技術研究所（ILT）的專家及其合作公司在本文中展示了這種相互依賴目前所帶來的可能。

高功率超短脈沖激光器是閃耀的恒星

超短脈沖（USP）激光器是一種非常特殊的激光器：其脈沖長度以皮秒或飛秒為單位。由于光與材料的相互作用時間極短，材料中產生的熱量非常低。Fraunhofer ILT激光和激光光學專業(yè)領域經理Hans Dieter Hoffmann表示：“一千瓦功率飛秒激光器的領域。”Amphos和Edgewave等ILT附屬公司已經提供高達1.5千瓦的USP激光器。

圖2使用USP激光器在渦輪葉片中進行精密深鉆孔。

亞琛的研究人員目前正與位于耶拿的Fraunhofer應用光學和精密工程研究所合作，在Fraunhofer卓越集群先進光子源CAPS中進一步擴大皮秒或飛秒激光的功率。他們希望達到三級，5甚至10千瓦的平均激光功率，并開發(fā)適合工業(yè)的設備。研究人員還在CAPS集群中建立了一個用戶設施，實驗室配備了測試最新激光器的設備，供來自工業(yè)和科學領域的感興趣用戶使用。超短脈沖激光可以鉆一個直徑小于0.5微米的孔。例如，對于使用計量吸入器的肺部患者的藥物治療而言，這很有意義。

圖3多光束技術：如今，144束部分光束可用于生產：弗勞恩霍夫ILT的科學家們正在研究平行USP激光工藝，最多可使用1000束部分光束，以進一步提高生產率。

USP激光器也是可持續(xù)的：它們可以替代腐蝕性蝕刻工藝。該研究所所長Constantin H?fner教授表示：“這是一項非常有希望的舉措，有助于可靠地實施循環(huán)經濟，我們在Fraunhofer ILT的許多項目中都在遵循這一舉措?！盩emicon公司也在緊跟微納結構表面的生產。Temicon產品開發(fā)主管Mike Bülters解釋道：“我們正越來越多地尋找能夠直接使用這些工具的解決方案，而不需要中間的平版印刷和鍍鋅工藝。我們認為USP技術是一種可能的替代方法，可以將大面積的緊密聚焦散射功能，甚至折射或衍射光學功能轉移到壓花圓柱體上。”

在USP技術中，F(xiàn)raunhofer ILT的研究人員繼續(xù)推動的一件事是從微觀到宏觀的轉變。如何將USP激光器在微觀水平上對各種不同材料產生的功能特性擴展到大規(guī)模組件，一個例子是房間氣溶膠過濾器中的微孔，或用于食品技術中的微過濾器。

圖4用于生產電池模塊的激光焊機。

從長遠來看，USP激光器可以達到極高的強度，這是非常有趣的應用。研究人員說：“USP激光器甚至可以通過將光在空間和時間上聚焦到如此高的能量密度，產生遠遠超過傳統(tǒng)光源亮度的x射線。這將開辟新的應用領域?！蔽磥淼牧硪环N可能性可能是，通過使用高強度激光而不是建造巨型粒子加速器，將粒子的速度提高到幾厘米以內，幾乎達到光速。未來可以設想一公里長的同步加速器作為桌面設備——至少用于一種或另一種工業(yè)應用。Fraunhofer ILT也在研究這些“次級來源”。

高效電池和燃料電池的激光技術加工電池和燃料電池的發(fā)展市場是激光發(fā)展?jié)摿薮蟮囊粋€領域。Kuka Systems的Joachim D?hner表示：“電動汽車行業(yè)和市場非?；钴S，公司必須能夠對新材料和產品設計的出現(xiàn)做出快速反應。”如今，激光已經被用于制造電池，例如用于電池盒的結構焊接或連接電池。

Kuka和Fraunhofer ILT正在合作加入技術。Gillner解釋道：“公司在使用激光時面臨的最大挑戰(zhàn)是質量和再現(xiàn)性。這里需要材料和工藝方面的專業(yè)知識?！蓖ㄟ^使用不同波長或自適應波束形成，可獲得質量和再現(xiàn)性最佳的激光相關解決方案。就生產速度而言，限制因素不是激光，而是機器。這就是為什么Fraunhofer ILT專家與工業(yè)公司進行交流，尋找新的流程和系統(tǒng)設計。

不僅激光電池的生產令人感興趣，而且燃料電池，特別是質子交換膜（PEM）電池的制造也令人感興趣。目前的一個挑戰(zhàn)是生產量。對于復合雙極板，就像那些已經廣泛用于固定應用的板一樣，使用激光可以很容易地將表面上的聚合物釋放出來。然而，庫卡的觀點是，它們的大規(guī)模使用，以及由此帶來的燃料電池技術創(chuàng)新前景，在未來仍有一段路要走。

圖5 LPBF制造的集成傳感器組件。

未來的數(shù)字化生產：增材制造雖然切割、連接和燒蝕是激光最著名的應用，但它們也可以做更多的事情。例如，他們可以逐層添加組件制造。這種數(shù)字化生產不僅在工具制造業(yè)中很有意思，在石油和天然氣行業(yè)、汽車行業(yè)以及航空航天技術中也很有意思。Fraunhofer ILT正在牽頭研究兩種特殊的增材制造方法：激光材料沉積和激光粉末床融合。

除了激光熔敷焊接外，激光粉末床熔接（LPBF）工藝在3D打印領域也掀起了最大的浪潮。Fraunhofer ILT能力領域經理LPBF Jasmin Saewe解釋道：“提高生產力和流程的穩(wěn)健性是議事日程上的頭等大事——我們正在將我們的研究導向這兩個方面?！?/p>

另一個方面是將先前和后續(xù)工藝步驟集成到一臺機器中。所有這些舉措都會產生一個問題，即如何將這些生產系統(tǒng)集成到現(xiàn)代計算基礎設施中，最好是盡可能做到用戶友好和特定于應用程序。

功能表面和智能組件

全方位千斤頂激光器的另一個應用領域是表面功能化?！袄?，通過使用激光在表面上沉積一層10到20微米的薄表層，可以增強廉價但易碎的鑄造組件并防止其磨損。”Fraunhofer ILT職能部門和表面代理主管Jochen Stollenwerk說。當需要一層或幾層防腐層以減少磨損時，表面處理是有意義的。滾珠或滾柱軸承的硬質耐磨層也可以通過溶膠-凝膠涂層實現(xiàn)，該涂層可以很容易地應用并通過激光處理轉化為硬質陶瓷層。

研究人員面臨著一個所謂“智能部件”的核心問題：如何使用激光將測量特性納入表層？一個可能的答案是：由納米顆粒制成的可打印導電油墨，這些納米顆粒在激光處理過程中燒結，并具有導電特性。這種過程不僅可以創(chuàng)建單個功能層，事實上還可以創(chuàng)建多個層來生成完整的傳感器。目標很明確：傳感器生產應與組件生產完全自動耦合。例如，從長遠來看，這將允許更換粘貼式膨脹測量條。

還將有醫(yī)療應用：當患者采用不自然的行走方式或人工關節(jié)受到過度壓力時，內置在人工髖關節(jié)中的傳感器可以進行記錄。結構傳播的噪音或壓力也可以通過使用壓電墨水的印刷傳感器測量，壓電墨水在激光束下結晶。這種傳感器在任何地方都有潛在的用途，因此必須監(jiān)測有價值的投資產品（如風力發(fā)電機、渦輪機和飛機）的結構狀況。

總之，盡管激光已經是一項成熟的技術，但它仍有很大的潛力。

來源：Photonics Views - 2022 -- Laser a proven tool with a lot more potential