超快激光表面纹理加工有望成为工业现实

　　在今年的Laser World of Photonics 2023 上，LaserSystems Europe 在激光材料加工论坛上主持了一场小组讨论。Mark Elliott 和Matthew Dale 采访了两位在超快激光材料加工领域工作的具体负责人：他们是Cailabs 公司工业应用产品线经Gwenn Pallier 和Alphanov 公司纳米级激光加工与健康应用集团经理Laura Gemini 博士。

　　Gwenn 和Laura 讨论了最新的光束整形解决方案和正在开发中的集成系统，这些解决方案和系统使平均功率越来越高的超快激光器能够用于高通量表面纹理加工，这在广泛的行业和应用中展现出了前景。

　　EO：超快激光在哪些市场和工业应用中得到广泛应用？Gwenn Pallier：超快激光器制造商接到的一些最大订单来自显示器制造市场，这在亚洲尤为突出。在这里，超快激光器被用于OLED 面板切割和钻孔等应用。它们也越来越多地用于半导体行业的晶片切割和切割。

　　然而，随着平均功率的提高和超快激光加工吞吐量的增加，更多的应用和市场也开始出现。例如该技术的一个前景广阔市场是电池制造，预计在不久的将来会有大幅增长。这种纹理箔是生产充电速度更快、容量更大的电池的关键。

　　EO：将高功率超快激光器与新的光束整形技术相结合，可以实现怎样的吞吐量？

　　Laura Gemini：2018 年，Alphanov 是当时欧洲首批安装振幅公司350W Tangor 飞秒激光系统的中心之一，这是在“Tresclean”项目框架内完成的。在这里，我们展示了在大型表面上实现更高的激光纹理加工吞吐量的可能性。例如在使用200W 平均功率、10MHz 重复频率和200m/s扫描速度的情况下，我们以12cm2/s 的速度对表面积约为1 平方米的模具进行了纹理加工。这一工艺使洗碗机的生产和后续操作中节省了大量的能源和水。因此，我们对这个项目的成果非常满意，它是大型部件高通量表面功能化的首批示范项目之一。

　　Tresclean 项目的另一个后续项目是“Newskin”，旨在进一步提高表面功能化的生产能力。我们开发了一种辊对辊设备，使用320W 的平均功率、5MHz 的重复频率和50m/s 的扫描速度，以15cm2/s 的速度对数米长的金属板进行纹理加工。因此，它的速度非常快，工艺吞吐量也非常高（每分钟处理平方米）。这一切都得益于高功率飞秒激光系统、新型光束整形模块和高速多边形扫描头的商业化应用。

　　Gwenn Pallier：在Newskin 项目中，Alphanov 测试了Cailabs公司生产的两种不同的光束整形模块：Canunda-Split 和Canunda-Pulse。Canunda-Split 用于分割光束，并在焦点处实现直接激光干涉图案化（DLIP），这正是用于表面纹理加工的方法。该模块为Alphanov 带来了极大的便利，因为他们无需精确对准DOE 和棱镜等光学元件。

　　由此产生的方形激光光束可以很好地控制光束重叠，从而使整个加工过程更容易控制，提供了更大的加工窗口，使加工过程更加可靠和稳定。此外，与使用较厚的光学元件相比，通过光学线路发生的色散要少得多，这使得干涉图案的对比度更高，从而能更好地控制所生产的结构（以及表面特性）。另一项实验还表明，在使用DLIP 对不锈钢进行表面纹理加工时，改用顶帽光束形状可使均匀性提高5 倍。

　　Canunda 脉冲用于在铝材上制作表面波纹，这种波纹在湍流中具有防拖拽效果。研究的目的是比较使用高斯激光束还是方形打印（顶帽）激光束的优缺点。

　　Alphanov 证明，该模块可用于产生方形激光束，从而在生产波纹时实现更高的控制，只需一次通过即可生产出非常坚硬的波纹。而使用高斯光束则无法做到这一点。

　　因此，光束整形模块确实能够在实现出色的表面纹理效果的同时，大幅提高加工吞吐量。Alphanov 演示了使用1030nm 飞秒激光将高斯光束转换为尖锐的方形印刷光束后，表面波纹的生成速度提高了10 倍以上。

　　EO：还有哪些挑战会阻碍超快激光表面纹理技术的广泛应用？

　　Laura Gemini：在我看来，目前的主要问题是整合机器的能力，使其真正能够以高产能对复杂的三维产品进行高分辨率超快激光表面纹理加工。这就需要开发能够提供几十微米甚至更低定位精度和可重复性的机器人系统。如果我们要充分开发这项技术，就必须做到这一点。

　　今年年初，我们开始在机械臂上集成Amplitude 飞秒激光器，将光束导入空芯光纤。我们能够利用该系统以极高的吞吐量和不同的角度实现纳米级分辨率的纹理加工。这对我们来说是第一次，因此我们非常期待继续在这方面开展工作，以真正实现高通量三维复杂表面功能化的目标。

　　Gwenn Pallier：在我看来，目前的主要挑战在于超快激光器的生产速度。据我所知，超快激光器制造商很难满足目前全球的所有激光器需求。虽然这些公司的规模和产能都在不断增长，但仍然不够。因此，如果超快激光器要服务于快速增长的应用领域，如电池制造，那么提高产量将是至关重要的，尤其是如果内燃机汽车将从2035 年起在欧盟停止生产，而欧洲议会、欧盟委员会和欧盟成员国目前正在就这一问题进行讨论。

　　Laura Gemini：此外，虽然高平均功率飞秒激光器的出现是一个巨大的突破，但该技术的成本仍需进一步降低。尽管我们可以利用扫描仪和光束整形技术提高超快激光加工的吞吐量，使其能够为工业所利用，但激光源本身和集成激光器的成本都必须降低。因此，要想充分降低成本，就必须进一步优化激光源的生产工艺。

　　EO：您还想提及哪些实体正在帮助超快激光表面纹理加工实现产业化？

　　Laura Gemini：我们可以看到，在激光表面功能化领域出现了很多初创公司，而这在五年前是完全没有的。其中之一是Fusion Bionics 公司，这是一家从弗劳恩霍夫IWS 分拆出来的公司，为基于DLIP 的工艺开发工业模块，前景非常广阔，以至于他们入围了今年Laser Worldof Photonics 2023 的决赛！我们期待与他们开展合作。另一家公司是位于克里特岛的 Biomimetic，它是首家将激光处理玻璃用于防雾和防反射应用的公司。这两家初创公司都做了令人印象深刻的工作，我期待在未来几年看到更多这样的公司出现。

　　Gwenn Pallier：我想提及的一个项目是Multiflex 项目，该项目由Amplitude、弗劳恩霍夫ILT 和Lasea 等合作伙伴共同实施。在亚琛的弗劳恩霍夫ILT，已经开发出一种工业规模的激光机原型，它将超快激光源与光束整形设备结合在一起，实现了高通量加工。他们正在对系统进行校准和调整，项目将很快结束。对于那些有兴趣参观这台机器的人，我建议参加明年在弗劳恩霍夫国际激光技术研究所举行的AKL 会议，他们会允许与会者参观他们的研究所，了解他们正在进行的各种项目。届时，这台机器应该会工作得很好。