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圖1 德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所所長Reinhart Poprawe，一直在為他的數(shù)字光子生產(chǎn)愿景而努力工作。（來源：弗勞恩霍夫ILT）

你還記那些復(fù)雜的超快激光器裝置和很難對準(zhǔn)的研究系統(tǒng)嗎？然而在過去的二十年中，超快激光技術(shù)取得了令人難以置信的進(jìn)展。正如Amplitude Systèmes公司總裁兼CEO Eric Mottay在今年的UKP研討會上所言，超快激光器的輸出功率已經(jīng)增長了1000倍，最為重要的是，它們已經(jīng)演變成了更加易于使用的工業(yè)級一體機(jī)。現(xiàn)在是時候可以把它們集成到各種機(jī)器中了。

在德國亞琛舉辦的UKP研討會是一個小型專家會議，專注于探討超快激光器的工業(yè)應(yīng)用。UKP是德語“Ultrakurzpuls”的縮寫，即超短脈沖。UKP研討會每兩年舉辦一次，2019年的會議吸引了來自14個國家的170名參與者。為期兩天的會議，主要探討超快激光技術(shù)的最新發(fā)展及應(yīng)用。

有人可能會認(rèn)為，關(guān)于超快激光器的所有問題早已討論過，但是去年，弗勞恩霍夫?qū)W會的研究人員宣布了他們的卓越集群“先進(jìn)光子源”——它可能是一個顛覆性的項目。正如該項目的一位發(fā)言人Dieter Hoffmann所證實的那樣，他們希望將超快激光器的功率提高到目前用于切割和焊接的連續(xù)波（CW）激光器的水平。換句話說就是，超快激光器將走向宏觀加工領(lǐng)域！

在這件事上，他們是認(rèn)真的。他們從光纖激光器系統(tǒng)中產(chǎn)生3.5 kW的功率輸出后，最近又從板條激光系統(tǒng)中產(chǎn)生了功率500 W、脈寬30 fs的輸出。研究人員希望在今年晚些時候在德國亞琛和耶拿建立兩個應(yīng)用實驗室，用他們的多千瓦級激光器測試新的工藝技術(shù)。

UKP研討會只是簡單地談到了哪些應(yīng)用真正需要功率達(dá)數(shù)千瓦的超快激光。目前已經(jīng)有了第一批應(yīng)用，這些應(yīng)用顯然可以很好地通過高功率超快激光器來實現(xiàn)。

激光機(jī)床公司Schepers的Stephan Brüning舉了一個例子。他使用一臺500 W的超快激光器來處理印刷滾筒。幾年前，他使用四個單獨的激光器來提高效率；但現(xiàn)在，他利用新系統(tǒng)將單一的高功率光束分成了16個光束，每個光束都由聲光調(diào)制器控制。對于1:16的分束，他使用的是衍射光學(xué)元件。同樣，弗勞恩霍夫ILT的Oskar Hofmann也已經(jīng)使用相同的技術(shù)，從一個光源中產(chǎn)生了近200個相同的光束。這里的主要挑戰(zhàn)是在不引入空間畸變的情況下，使所有這些光束通過光學(xué)元件。

用于數(shù)字生產(chǎn)系統(tǒng)的超快激光器

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所所長Reinhart Poprawe，始終為他的數(shù)字光子生產(chǎn)愿景而努力工作。他經(jīng)常說，激光是全數(shù)字化工作流程的完美工具。但是對于超快激光來說，這種說法還現(xiàn)實嗎？

EWAG AG公司的Claus Dold舉了一個例子——用超快激光制造硬質(zhì)合金鉆頭和金剛石鉆頭。他使用的機(jī)器是全自動化的，只需要提供鉆頭的幾何數(shù)據(jù)。機(jī)器自己會選擇合適的激光參數(shù)，并產(chǎn)生出一套鉆頭。對于直徑在0.5~3mm之間的鉆頭，激光加工的效率高于其他工藝。作為一個全數(shù)字系統(tǒng)，它正準(zhǔn)備登上全球市場這一更大的舞臺。

即使這樣的系統(tǒng)證明了用超快激光器高效生產(chǎn)的可行性，但仍然存在許多挑戰(zhàn)正在解決。可喜的是，用于高重復(fù)頻率或大量光束的掃描技術(shù)正在迅速提升；通過分離微觀和宏觀水平，模擬工具得到了改進(jìn)；甚至用于傳輸超快激光的光纖現(xiàn)在也可以使用了。

然而，制造一臺使用超快激光器的機(jī)器，需要非常詳細(xì)的激光與物質(zhì)相互作用的知識。除了激光束保護(hù)之外，還有一個新的安全問題隨之出現(xiàn)，即超快脈沖撞擊金屬會產(chǎn)生有規(guī)律的離子輻射。

圖2 2019年的UKP研討會是在德國亞琛的一個足球隊的休息室舉辦的，但是本次活動已經(jīng)超出了休息室的范圍，預(yù)計2021年4月21-22日舉辦的下一次UKP研討會，很可能會移師到更大的場所。（來源：弗勞恩霍夫ILT）