展望光子学的未来发展（一）

在今年4月于德国亚琛举行的“2024国际激光技术大会（AKL'24）”上，来自21个国家的525名与会者除了参加3个论坛和9个分会场共82场专家报告外，还参观了58家公司的展览和在弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）和亚琛工业大学（RWTH Aachen University）实验室进行的60场激光技术现场演示。为期三天的日程，为与会者提供了充分的交流机会。总之，2024国际激光技术大会是每年激光界人士的必去之地。

 

作为 AKL'24 大会的一部分，同期举办了展览

大会期间，不同的论坛和会议聚焦了当前行业关注的热点领域。同时，AKL代表着专业深度。它是在应用研究与实际应用之间构建了一座桥梁。技术供应商和客户汇聚一堂，共同提出问题、目标和愿景，并通过大会促进合作。

 

激光技术的潜力，还远远没有发挥出来

现在，激光在表面技术、增材制造和医疗技术领域的应用日益广泛。激光可以切割和连接金属和塑料，在玻璃内部生成三维微结构，并可用于生产微米级的半导体和电子产品。然而，自激光发明以来的六十年间，激光产业仅开发了实际技术和经济潜力的一小部分。激光尚未得到充分开发。正如弗劳恩霍夫激光技术研究所所长Constantin Haefner教授在AKL'24闭幕式致辞中说道的那样，“恰恰相反，激光这项技术发明至今，它才刚刚起步。”

要充分挖掘潜力，就需要新的光束源、改进的光学系统和优化的工艺。最初的激光应用就像一把粗糙的手斧，而如今的量子技术则是在单个光子、离子和原子的尺度上运行。表面技术和光学镀膜也达到了类似的精度。当美国的劳伦斯-利弗莫尔国家实验室国家点火装置中世界上最大的激光系统，将集中的脉冲能量对准一个针头大小的含有氢同位素氘和氚的颗粒，并点燃它们发生聚变时，所释放的能量相当于燃烧11吨煤。同时，惯性约束聚变不影响气候，本质上是安全的。

在三场论坛和九次会议中，AKL'24深入探讨了所有议题，包括表面技术、切割和连接、数字化和人工智能帮助下的增材制造和工艺优化、光学系统和新光束源，以及面向未来的激光在医疗技术、量子技术和核聚变中的应用。回顾这次大会，也就是展望光子学的未来。

人工智能

更上一层楼：首次正确生产

AKL'24的一个重要主题：光子学如何才能尽快利用人工智能的潜力？

由于加工链日益数字化，越来越多的联网机器和传感器正在产生大量数据。这既适用于研究、开发和设计，也适用于光子生产和产品生命周期。人工智能和机器学习，为提炼丰富的数据原材料提供了新的机遇。

梅赛德斯-奔驰公司工业机器人和制造工艺经理Michael Lebrecht在AKL'24开幕式的“光子生产中的数字化和人工智能”论坛上说，正如原油只有在分解成各种成分并进一步加工成燃料、塑料和化学品后，其价值才会显现出来一样，分解数据、分析数据并从中获取具有附加值的信息也非常重要。他由此定下了基调，并在整个大会期间的许多演讲中得到了回应。

 

数据原材料变成具有附加值的信息

人工智能正在成为基于数据的光子生产工具。现在的问题是，激光系统、传感器和光学器件的供应商如何才能尽快利用其技术和经济潜力。劳恩霍夫激光技术研究所所长Constantin Haefner教授表示：在人工智能的帮助下，获取数据并从中获得附加值的能力已经成为竞争优势的代名词。

 

在Gerd Herziger专场中，他与业界高层管理人员探讨了挖掘具有附加值的数据，并与来自业界的高层管理人员：通快集团管理委员会成员兼激光技术首席执行官Hagen Zimer博士、COHERENT高意激光器业务执行副总裁Christopher Dorman博士和百超集团首席技术官Christoph Rüttimann博士，共同探讨了这对价值创造和商业模式的意义。

与研究所一样，上述三家公司正在大力开展人工智能方面的相关工作，并推动流程、产品和组织的数字化网络化。必要时，他们还会请来外部专家。讨论的议题包括，人工智能以光速复制人脑进化完善的神经元学习过程，并从以前无法获取的异构数据中过滤信息。

经过相应训练的算法，会系统地扫描传感器和摄像头数据，必要时还会实时扫描激光加工过程中通常会出现的偏差和错误。Precitec Optronic GmbH的Markus Kogel-Hollacher博士和Scansonic MI GmbH的Michael Ungers博士在发言中展示了这两家公司是如何利用这些可能性进行实时监控、无缝记录，以及优化激光焊接和激光焊接工艺。

 

数字化和人工智能，正在塑造光子实践

论坛上的讨论清晰地表明，将人工智能方法与不同的测量和传感器技术（包括用于记录过程辐射的照相机、高温计或光电二极管以及OCT光学相干断层扫描和激光声学传感器相结合，所提供的可能性远远超出了对缺陷和偏差的传统检测和记录。

如果生成的测量和传感器信号与过程和系统数据（例如激光器的性能数据），通过使用时间同步，那么人工智能支持的分析方法也可以用于确定缺陷和偏差的原因。这将是在进行中的激光工艺中重新调整参数的第一步，从而避免出现质量缺陷，或至少可以立即检测到质量缺陷。这样，光子生产流程将非常接近零缺陷制造的目标。

 

“光子生产中的数字化和人工智能”论坛表明，这一愿景是完全有可能实现的：传感技术和激光工艺的供应商正在与人工智能深入合作，并为其产品和工艺实现人工智能方面的准备，而这正是不同的受邀嘉宾在会议上所呼吁的。

4D Photonics GmbH执行合伙人Christoph Franz介绍了一种用单个传感器实现多传感器技术的方法。尽管边长只有91×63×79mm3，但它能在32个通道上检测到多种波长，每个通道的采样率为6kHz，即使以每秒1000mm的进给量也能检测到约40μm的偏差。

由于可以根据需要组合通道，该传感器还能记录声发射、湿度、气压和温度。此外，由于它可以连接到任何第三方传感器系统，因此这个小巧的设备可以生成一个庞大的数据库，每秒可提供约一百万个样本。

 

强大的团队：多传感器技术和人工智能

有了人工智能，就能在持续过程中识别错误及其原因，因为信号是基于定义的物理测量变量。4D Photonics通过初步分析，确定哪些光谱范围最能揭示相关应用的质量波动，从而组合出最合适的通道。该评估以人工智能为基础。Franz介绍了公司参与的德国电子同步加速器 DESY的系列测试。该团队利用其传感器技术与高速X射线照相机并行监控正在进行的激光过程。他解释说：“例如，可以利用图像数据精确跟踪焊缝的焊池中何时何地形成气孔和其他缺陷。在此基础上，还可以准确了解这些事件是如何反映在4D传感器信号中的。目前，研究所正在系统评估来自测试系列的100多TB数据。”
其目的是为人工智能的初始培训奠定数据基础。训练完成后，人工智能应该能够从多光谱 4D传感器的信号中独立识别工业流程中的缺陷和缺陷类别。Franz希望将目前从激光焊接工艺开始的工作逐步转移到其他激光应用领域。

 

论坛上的讨论表明，多传感器过程监控几乎没有任何应用限制，无论是用于焊接电动马达的发卡、燃料电池的双极板和电动汽车的电池外壳，还是用于使用极高速激光熔覆的制动盘涂层的精细质量保证，或是用于优化全自动系统中的激光切割工艺。AKL'24令人印象深刻地展示了数字化的潜力，特别是人工智能和机器学习在光子生产中的应用，而光子行业长期以来一直致力于利用这一潜力。

 

医疗技术

提高生活质量的激光治疗程序

无论是软组织手术还是硬组织消融，激光作为手术室中的非接触式工具正变得越来越重要，因为在医疗诊所中，激光越来越能发挥其相对于传统外科手术的优势。在AKL'24第二个会议日的“医疗技术”分会上，与会者深入了解了激光手术在临床实践中的成功应用。其中包括肿瘤外科和眼科等多个领域，但激光技术在未来还能通过精确而温和的干预，改善神经外科的治疗。

 

用于清醒手术的立体定向激光开颅术

在神经外科手术中，某些适应症要求在手术过程中监测复杂的大脑功能，如语言或运动功能：例如，治疗震颤、帕金森病或肌张力障碍等基本运动障碍的清醒深部脑刺激手术。这类手术是在局部麻醉但清醒的病人身上进行的。在切除某些脑肿瘤时，外科医生会在完全清醒的病人身上进行手术，以测试复杂的大脑功能，并确保它们在手术过程中不受影响。

要切除这种肿瘤，医生需要切开一块手掌大小的头骨。迄今为止，人们一直使用钻头、锯子和铣床来实现这一目的。由此产生的震动和通过颅骨传递的噪音往往会对接受治疗者的心理造成创伤。此外，在打开颅骨时，还有10%的风险会损伤脑膜甚至脑组织。

来自弗莱堡大学医院的Peter Reinacher博士和研究所的Achim Lenenbach博士领导的研究小组正在寻求一种清醒手术的新方法：他们共同推动一种用于立体定向激光开颅手术的激光程序，这种程序可以轻柔、安全、几乎无声地打开颅盖。亚琛团队开发了一种激光施术器，它将高能激光束与干涉测量光束结合在一起。

测量光束采用光学相干断层扫描（OCT）技术，在切割激光器（最大脉冲持续时间为120毫微秒的二氧化碳脉冲激光器）切除硬组织的过程中测量颅骨的残余厚度。这种激光器切割颅骨时非常轻柔，不会产生明显的振动，也不会产生钻孔和铣削噪音。对颅骨残余厚度的测量可以调节切割过程，从而防止对颅骨下的脑膜或大脑造成损伤。

除了开发激光开颅手术的程序外，该团队还与神经外科医生密切合作，将涂抹器与现有的立体定向系统连接起来，并将所有组件组合成一个完整的系统。由于其占地面积小、与使用的手术台兼容以及无菌概念，它可以集成到手术室的工作流程中。

作为弗劳恩霍夫研究计划“ATTRACT”的一部分，以STELLA为项目名称的激光骨消融术也可用于需要安全、精确地去除骨材料的其他外科领域。与机械消融过程相比，利用激光进行硬组织消融在安全性、精确性、微创性以及病人清醒手术时的舒适性等方面都具有明显优势。在进入下一个验证阶段之前，激光工艺仍在动物标本上进行优化。

 

眼科和癌症治疗中的温和疗法

相比之下，激光在眼科诊断和治疗方面的应用早已成熟。最常用的激光矫正视力缺陷手术是 LASIK（激光辅助原位角膜磨镶术）。在这种手术中，通过手术打开角膜表层并将其折叠，这样就可以用激光对需要矫正的角膜底层进行处理。在AKL'24上，来自耶拿卡尔蔡司医疗技术股份公司的Gregor Stobrawa博士展示了一种新的微创激光手术，无需外部视觉辅助设备即可矫正近视和散光。

 

SMILE手术的特点是，一束波长约为1微米、脉冲能量在50至300纳焦之间的飞秒激光在不损伤角膜的情况下穿透角膜最上层，并通过聚焦角膜下层对角膜进行环形消融。微创激光切口可在角膜最上层形成一个微小的开口，然后通过这个开口将消融的组织取出。改变后的角膜弧度可以矫正眼睛的屈光度，从而矫正有缺陷的视力。与以往的激光手术相比，这种手术对患者的伤害要小得多。

 

来自KLS Martin SE & Co. KG的Karsten Sassenscheid博士展示了一种微创激光肿瘤手术。外科医生使用波长为1320纳米的二极管泵浦Nd:YAG激光器切除肺转移瘤。声带上的良性和恶性肿瘤也可通过内窥镜使用喉镜和激光进行切除。波长为10600纳米的二氧化碳激光用于切割软组织。在这两种情况下，特殊的内窥镜都能以微创方式接近肿瘤，使肿瘤显露出来，以便用激光精确而轻柔地切除肿瘤。（未完待续）

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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