超短脈沖（USP）激光器是激光材料加工領(lǐng)域的多功能工具，但當(dāng)激光脈沖在空間和時間上得到最佳控制時，工作效率會更高。此前在德國亞琛舉行的“第7屆UKP超快激光技術(shù)研討會”上，與會者可以體驗到這一點(diǎn)。對于300W或更大功率的新型高功率光源而言，可調(diào)激光束變得非常重要。參觀者還看到了超短脈沖激光，是如何顯著提高電動汽車電池電極或氫氣系統(tǒng)的生產(chǎn)效率的。

　　即將到來的二次光源

　　二次光源是將高強(qiáng)度激光輻射轉(zhuǎn)移到其他光譜范圍的輻射源，通常與激光波長相距甚遠(yuǎn)。這可以是特殊的X射線，但電子束甚至質(zhì)子束也在討論之中。迄今為止，激光器和設(shè)備制造商通快公司（TRUMPF）為ASML公司提供的EUV光源已成為這一領(lǐng)域的先驅(qū)。但是，由于二次光源需要功率極大的激光器，直到現(xiàn)在才有人真正相信它們的市場意義。

　　通快二次光源產(chǎn)品經(jīng)理Torsten Mans博士的演講改變了這一局面。UKP研討會組織者M(jìn)artin Reininghaus印象深刻地說：“他的演講非常精彩。”通快一直在努力開發(fā)模塊化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以根據(jù)不同的用途進(jìn)行組合，以服務(wù)于未來的市場。

　　為此，該公司正在匯集來自不同子行業(yè)的專業(yè)知識，利用二極管泵浦高重復(fù)超短脈沖激光器將強(qiáng)度提高到太瓦級。Mans認(rèn)為，這種激光器的最初應(yīng)用領(lǐng)域是半導(dǎo)體計量。如果有可能取代大型加速器作為光束源，那么復(fù)雜的測試程序就可以從研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)，或者在衛(wèi)生領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的療法。

　　光束在空間和時間上的調(diào)制可提高生產(chǎn)率

　　在加工過程中，當(dāng)脈沖激光輻射在工件上劃出一條曲線時會發(fā)生什么？它會減慢速度，從而減小脈沖間距，使輪廓變得更粗。激光制造商Amplitude解決了這一問題，并提供了單脈沖控制系統(tǒng)，例如可以調(diào)節(jié)輪廓中單個脈沖之間的間距。

　　無論是GHz脈沖串、單脈沖還是可控脈沖串頻率，對脈沖序列的靈活控制正在成為超短脈沖激光器的標(biāo)準(zhǔn)。通過這種控制，可以設(shè)計出最大生產(chǎn)率的工作流程?？臻g調(diào)制也是類似的情況，亞琛會議上展示了這一領(lǐng)域的幾項令人興奮的創(chuàng)新。第一項是由法國Cailabs公司 Gwenn Pallier介紹的，該公司利用相位板（多平面光轉(zhuǎn)換MPLC）的重復(fù)反射，可以以抑制高階模式和改善景深等方式操縱激光脈沖。

　　亞琛工業(yè)大學(xué)的Carlo Holly教授也展示了類似的技術(shù)。他將人工智能應(yīng)用于光學(xué)設(shè)計。為此，Holly使用兩個串聯(lián)的衍射光學(xué)元件來操縱激光輻射在三維空間的傳播。這不僅能獲得特殊的光束輪廓，還能顯著增加景深。由于這種設(shè)置的參數(shù)較多，人工智能可以提供最佳配置。

　　無論是氫電極還是OLED顯示屏，生產(chǎn)率是關(guān)鍵

　　研討會共同組織者Arnold Gillner教授在會議開始時總結(jié)了工業(yè)超短脈沖激光器領(lǐng)域所取得的成就。在應(yīng)用方面，表面功能化居于首位。超短脈沖激光器可以增加電極的表面積，從而大大提高電池和氫電極的效率。Gillner對這種應(yīng)用需求的描述是，需要加工的面積大約在平方公里左右。

　　多年來，超短脈沖激光器在智能手機(jī)制造中發(fā)揮了重要作用。Stefan Janssen博士在韓國 LG-Electronics PRI公司的工作中提供了許多這方面的實例。其中一個令人興奮的細(xì)節(jié)是用于處理聚合物OLED的成像光學(xué)器件。它們重達(dá)24千克，異常龐大，但卻使更多的生產(chǎn)工藝成為可能。Janssen將能量調(diào)制fs-bursts的潛力和玻璃加工中自由形態(tài)輪廓的脈沖間隔控制，描述為下一步工作。此外，他還認(rèn)為過程控制和預(yù)測性維護(hù)也是令人興奮的話題，全天候生產(chǎn)就是如此。

　　更高的生產(chǎn)率也是Pulsar Photonics公司的Stephan Eifel博士在演講中的重點(diǎn)。除標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備外，該公司還專注于多光束光學(xué)技術(shù)，以提高高功率超短脈沖激光器的生產(chǎn)率。在這方面，Eifel 認(rèn)為每個部件的燒蝕量有增加的趨勢：“我們談?wù)摰氖?0000mm³甚至更多的體積。更強(qiáng)大的激光源和光束調(diào)制器的出現(xiàn)是一個好消息?，F(xiàn)在機(jī)器必須應(yīng)對較長的加工時間。”他計劃一個部件的加工時間為100小時或更長。這也是機(jī)器在加工大型部件時必須可靠運(yùn)行的時間。

　　并行化是提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵。將一個光束分成若干個光束，每個光束再通過若干個掃描儀和額外的多光束光學(xué)器件將部分光束應(yīng)用到工件上。這就是Pulsar Photonics在機(jī)器中實現(xiàn)并行化的方式。在所示示例中，工件上有24個平行光束，進(jìn)給速度超過1米/秒。更快的速度無疑是最理想的。生產(chǎn)監(jiān)控每秒進(jìn)行100次測量。目前最大的挑戰(zhàn)是實時數(shù)據(jù)處理。

　　兩個虛擬實驗室參觀

　　除了講座和許多個人討論的機(jī)會外，研討會的一個重要部分是對弗勞恩霍夫國際語言培訓(xùn)中心實驗室的數(shù)字化參觀。在疫情期間，這只能通過線上實現(xiàn)。在第七屆英國物理實驗室研討會上這種方式也被采用，因為虛擬參觀省去了驅(qū)車前往研究所的麻煩，而且攝像機(jī)還能捕捉到普通參觀者難以觸及的視角。

　　首先參觀的是電池實驗室。自2020年以來，這里一直在進(jìn)行基于激光的電池制造工藝研究。Reininghaus在介紹這一戰(zhàn)略時說：這里最重要的是關(guān)注整個生產(chǎn)鏈。目前正在對生產(chǎn)鏈上的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，重點(diǎn)是提高各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)率。

　　提高生產(chǎn)率也是第二次實驗室參觀的重點(diǎn)。正如Martin Osbild在現(xiàn)場介紹的那樣，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所展示了一種新型多光束超短脈沖激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用64個可單獨(dú)調(diào)制的部分光束。這套4×5米的系統(tǒng)將在今年6月前進(jìn)行了大量測試，之后將作為應(yīng)用實驗室供弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的客戶和合作伙伴使用。

　　研討會結(jié)束時，Gillner教授再次總結(jié)了發(fā)展趨勢：“一方面，我們再次對量子技術(shù)應(yīng)用中的離子阱或二次光源的潛力等未來主題有了令人興奮的深入了解。另一方面，我們看到束超短脈沖技術(shù)已經(jīng)通過現(xiàn)有的擴(kuò)展方法應(yīng)用到實踐中。對于氫氣和電池技術(shù)而言，它解決了大趨勢問題。在更強(qiáng)大的激光源和工藝技術(shù)的支持下，應(yīng)用的廣度在不斷擴(kuò)大。”

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