用于加工的调制激光束

超短脉冲(USP)激光器是激光材料加工的多功能工具，但当激光脉冲在空间和时间上得到最佳控制时，其工作效率会更高。在亚琛举办的 "第7届UKP超快激光技术研讨会 "上，我们可以体验到这一点对于300 W及以上的新型高功率光源有多么重要。参观者还可以看到 USP 激光如何显著提高电动汽车电池电极或氢气系统的效率。

4 月底，USP 激光器的开发人员和用户齐聚亚琛，参加第 7 届 UKP 研讨会。除了介绍专业知识外，研讨会还总是与共同的回忆有关，因为这也是一次家庭聚会，而这个 "家庭 "正在不断成长和壮大：在 150 多名与会者中，年轻面孔的数量令人欣慰。



二次辐射源即将到来
二次源是将高强度激光辐射转移到其他光谱范围的辐射源，通常与激光波长相差甚远。这可以是特殊的X射线，但电子束甚至质子束也在讨论之中。

到目前为止，激光器和设备制造商通快（TRUMPF），特别是为ASML提供的EUV光源，已经成为这一领域的先驱。但是，由于二次光源需要功率极大的激光器，直到现在还没有人真正相信它们的市场相关性。通快二次光源产品经理Torsten Mans博士的演讲改变了这一局面。"UKP研讨会的组织者Martin Reininghaus说："他的演讲非常精彩。"通快一直致力于开发模块化系统，这些系统可以根据不同的用途进行组合，以服务于未来的二次资源市场。

为此，该公司正在汇集来自不同子行业的专业知识，利用二极管泵浦高重复USP激光器将强度提高到太瓦级。Mans认为其最初应用领域是半导体计量。如果能够取代大型加速器作为光束源，那么复杂的测试程序就可以从研究转向生产，或者在医疗保健领域实现新疗法。



光束在空间和时间上的调制提高了生产率
在加工过程中，当脉冲激光辐射在工件上划出一条曲线时会发生什么？它会减慢，从而减小脉冲间距，轮廓也会变粗。激光制造商Amplitude已经解决了这一问题，并提供了单脉冲控制系统，例如，可以调节轮廓中单个脉冲之间的间距。

无论是GHz脉冲串、单脉冲还是可控脉冲串频率，对脉冲序列的灵活控制正在成为USP激光器的标准。通过这种控制，可以设计出最大生产率的流程。空间调制也是类似的情况，亚琛会议上展示了这一领域的几项令人兴奋的创新。第一项由法国Cailabs公司的Gwenn Pallier介绍： 该公司利用相位板（多平面光转换MPLC）的重复反射，可以以抑制高模和改善景深等方式操纵激光脉冲。

亚琛工业大学的Carlo Holly教授也展示了类似的技术。他将人工智能应用于光学设计。为此，霍利使用两个串联的衍射光学元件来操纵激光辐射在三维空间的传播。这不仅为他提供了特殊的光束轮廓，还大大增加了景深。由于该装置的参数较多，人工智能可以提供最佳配置。

无论是氢电极还是 OLED 显示屏 - 生产率是关键
研讨会共同组织者Arnold Gillner教授在会议开始时总结了工业USP激光器领域所取得的成就。在应用方面，表面功能化居于首位。USP激光器可以增加电极的表面积，大大提高电池和氢电极的效率。"需要加工的面积大约在平方公里左右，"Gillner 这样描述这种应用的需求。

多年来，USP 激光器在智能手机制造中发挥了重要作用。Stefan Janssen 博士在韩国 LG-Electronics PRI 公司的工作中提供了许多这方面的实例。其中一个令人兴奋的细节是用于加工聚合物OLED的成像光学器件。它们重达24公斤，异常庞大，但却使更多的生产工艺成为可能。Janssen将能量调制fs脉冲串的潜力和玻璃加工中自由形状轮廓的脉冲间隔控制描述为下一个步骤。此外，他还认为过程控制和预测性维护也是令人兴奋的话题--全天候生产就是如此。

更高的生产率也是Pulsar Photonics公司Stephan Eifel博士演讲的重点。除了标准设备外，该公司还专注于多光束光学技术，以提高高功率USP激光器的生产率。在这方面，Eifel认为每个部件的烧蚀量呈上升趋势： "我们谈论的是10,000 mm³甚至更高的体积"。更强大的激光源和光束调制器的出现对他来说是个好消息。"现在机器必须应对较长的加工时间"。他计划一个部件的加工时间为100小时或更长。这就是大型部件加工时机器必须可靠运行的时间。

并行化是提高生产率的关键。将一个光束分成若干个光束，然后每个光束通过若干扫描仪和附加的多光束光学器件将部分光束应用到工件上 - 这就是Pulsar Photonics公司在其设备中实现并行化的方式。在所示示例中，有24个光束以超过1 m/s的进给速度并行加工工件。更高的速度绝对是可取的。生产监控每秒100次测量。目前最大的挑战是实时数据处理。



两个虚拟实验室参观
除了讲座和许多个人讨论的机会外，研讨会的一个重要部分是参观弗劳恩霍夫ILT实验室。在大流行病期间，这只能通过现场传输实现。在第七届UKP研讨会上，这种方式被采用，因为虚拟参观省去了驱车前往研究所的麻烦，而且摄像机能够捕捉到普通参观者难以触及的视角。

首先参观的是电池实验室。自2020年以来，这里一直在进行基于激光的电池生产工艺研究。"这里的关键是关注整个生产链，"Reininghaus在描述这一战略时说。生产链上的各个环节都在研究之中，重点是提高各个环节的生产率。

提高生产率也是第二次实验室参观的重点。弗劳恩霍夫ILT公司展示了一种新型多光束USP激光系统，该系统使用64个可单独调制的部分光束，Martin Osbild在现场对此进行了解释。这套4×5米的系统将在2023年6月前进行大量测试，之后将作为应用实验室供Fraunhofer ILT的客户和合作伙伴使用。

研讨会结束时，Gillner教授再次总结了发展趋势： "一方面，我们再次对量子技术应用中的离子阱或二次资源的潜力等未来主题有了令人兴奋的深入了解。另一方面，我们看到USP技术已经通过现有的扩展方法应用到实践中。对于氢和电池技术而言，它解决了大趋势问题"。在更强大的资源和工艺技术的支持下，应用的广度在不断扩大。下一届UKP研讨会将于2025年4月8日至9日举行。