展望光子学的未来发展（二）

功能性表面

加工功能性表面的激光工艺

激光早已成为一种成熟的表面加工工具。AKL'24大会在“通过激光加工实现功能性表面”论坛和“表面技术”分会上讨论了这一技术领域。应用范围从改善摩擦学性能的功能化、用于微电子、空间技术和可再生能源的高温超导体的生产，到使用直接激光干涉图案化（DLIP）生产自清洁和抗反射表面，以及使用高效二极管激光干燥电池电极。

 

表面改性为激光提供了广泛的应用领域

来自Laserline GmbH公司的Simon Britten博士在题为“用于电池电极节能干燥的激光系统” 的演讲中谈到了后者。干燥涂有活性材料的阳极和阴极非常耗时，干燥炉长达近100米，需要大量空间且占电池生产所需能源的近30%。高效、强大的二极管激光器可以在此发挥优势： 如果用它们取代传统工艺，干燥成本将降低20%至30%，所需的空间和干燥时间将缩短近三分之二，同时能耗也将降低约30%。这位专家解释说：许多其他干燥工艺也可以使用激光进行。

 

来自德累斯顿的Fusion Bionic公司首席执行官Tim Kunze博士介绍了一种利用直接激光干涉制图（DLIP）精确修改表面的工艺。在这一工艺中，多束激光叠加生成功能性表面，包括防反射涂层、防滑瓷砖和自清洁表面。在许多应用中，光学工艺可以取代腐蚀性化学品的使用、复杂的机械加工或昂贵的涂层。

Kunze认为，光伏组件的处理尤其具有巨大的潜力，因为如果组件变脏，能量产出就会大幅下降。使用DLIP进行持续的表面改性可将全球太阳能发电量提高4%至7%，并减少超过1800 万吨的二氧化碳排放量。此外，太阳能园区运营商还可以减轻清洁组件的负担，因为清洁组件的耗水量会产生很高的成本，尤其是在干燥多尘的地区。

荷兰Beuningen的ASMPT激光分离国际公司（ALSI）和德国开姆尼茨的3D-Micromac公司介绍了其他应用。后者介绍了在半导体生产中的应用：基于激光退火的所谓激光辅助欧姆接触形成（OCF）。这种处理方法可以降低开关稳压器的能量损耗，并在电压超过700伏特以及高频和高温工艺中提高性能和可靠性。

ASMPT还在半导体生产中使用紫外超短脉冲激光器准备切割晶片，即通过两级材料烧蚀工艺分离芯片。在激光开槽过程中，皮秒脉冲紫外激光会沿着两侧的有源芯片区划出微小的边界。这种“开槽”之后是实际的开槽，即以高功率去除材料，为芯片分离做准备。

Kees Biesheuvel在他的演讲中利用显微图像令人印象深刻地展示了与绿光或红外波长范围内的长脉冲激光相比，紫外超短脉冲激光工艺是如何精确地完成这一任务的，同时还改善了材料的性能。

 

聚焦功能性表面

在题为“电子消费品领域的激光材料加工”的演讲中，来自韩国LG Electronics公司的Stefan Janssen 博士展示了激光技术如何显著提高微电子设备和显示器生产工艺的质量和效率。LG电子生产研究所的研究团队拥有20套激光系统。这些高性能系统的加工速度高达每秒4600个孔，定位精度为3微米，孔直径小于20微米。据Janssen称，超薄玻璃（UTG）的高速切割速度可达每秒500毫米以上，切口尺寸小于20微米。材料加工领域的这些进步不仅提高了产品性能，而且使电子设备更加可靠。在消费者需要高品质、耐用产品的市场中，这一点尤为重要。

 

激光诱导正向转移技术（LIFT）可用于将非常薄而精确的材料层转移到基底上。Ara-Coatings GmbH & Co KG公司利用这种技术，在电子、光学和生物医学应用中制造功能层。在LIFT技术中，物理气相沉积（PVD）和激光技术相结合，可以有选择性地转移具有特定功能特性的材料且无需真空。

 

由于可以快速、高效地生产涂层，无需进一步预处理或后处理，因此可以节省大量成本。Ara涂层专家Ralph Domnick博士解释说，LIFT工艺可应用于在化学计量、晶体结构和导电性能方面具有不同特性的各种材料。他同时还强调了该工艺的可扩展性和灵活性。例如，它可以产生0.5微米至5微米的涂层厚度和宽度仅为12微米的超细导体路径。此外，镀膜速度也令人印象深刻：尽管精度很高，但只需三分钟就能完成一平方米面积的涂层。

 

激光表面涂层和修复工艺

AKL'24还重点讨论了如何有选择性地将功能层应用到部件上，以便在需要的地方改变其表面特性，或者如何修复磨损和损坏的区域。相干激光系统有限公司（Coherent LaserSystems GmbH & Co. KG公司的高级产品营销经理Ralph Delmdahl博士专门介绍了用于大规模生产高温超导体（HTS） 磁带的创新激光工艺：脉冲激光沉积（PLD）可以在精确控制的材料成分中沉积结晶薄膜。有多种氧化物、氮化物、碳化物、硫化物、聚合物和二维材料，可用于此目的。

PLD可以将这些材料加工成微米级的薄单层，其密度、形态和其他参数都可以通过激光设置来改变。在紫外线波长范围内具有高能量输出的准分子激光器可用作激光器。Delmdahl认为，使用PLD技术生产的HTS磁带可以改变TOKAMAK反应堆磁核聚变等应用领域的格局。

基于激光的材料应用不仅可用于涂层，还可用于维修。 在AKL'24上，来自IIC-AM GmbH公司的Johannes Finger博士举例说明了这一点。他强调了基于激光的粉末材料高速沉积，这种速度伴随着高效的过程控制和较高的材料利用率，同时也将修复部件的热应力降至最低。

这种方法尤其适用于对材料质量和微结构精确控制要求较高的应用领域。除其他外，他还展示了叶轮和涡轮叶片上的多材料组件和修复插件。牧野公司与弗劳恩霍夫激光技术研究所等机构合作开发了这一工艺。

 

数字化控制、严密监控的部件修复

与之密切相关的直接能量沉积（DED）工艺，是AKL'24有关激光修复工艺的其他演讲的重点。Hiroyuki Nagasak以“作为眼睛和工具的光”为题，展示了日本尼康公司的产品和应用。精确的三维材料沉积和烧蚀与用于实时质量监控的集成三维测量过程相结合；因此，涡轮叶片等复杂部件可以通过高材料利用率进行修复，并使用无支撑结构3D打印进行生产，同时最大限度地减少返工。尼康主要依靠超短脉冲激光工艺的精度。Nagasaka在AKL'24上海展示了公司的新一代DED系统。

 

DMG MORI超声波激光技术有限公司的“扫描-修复”方法也采用了类似的方法。三维扫描仪测量磨损或损坏的部件，这些部件被夹在五轴系统中，并通过一个确定的扫描过程。将获得的数据与零件的CAD数据进行比较，以确定需要修复的部位，并立即制定适当的修复策略。在DED工艺中，3.5千瓦激光将从喷嘴中流出的金属粉末熔化，分层喷射到受损部位。

 

摄像系统记录熔池的情况，以便进行质量控制。激光应用后，在混合工艺中对部件进行机械加工，以获得准确的部件轮廓和所需的表面质量。

 

激光维修和翻新是进入循环经济的一个途径

对磨损和损坏的部件进行维修和翻新是可持续的，可以节约资源，被认为是进入循环经济的重要先决条件。来自加拿大埃德蒙顿激光熔覆公司Apollo-Clad的Gentry Wood博士在题为 “用于制造、修复和改进复杂部件的LMD”的演讲中介绍了该公司自己的激光加工技术。

最初，Apollo-Clad主要服务于石油和天然气行业。然而，现在越来越多的农业部门客户要求进行维修和超硬涂层。在AKL'24的演讲中，Wood介绍了公司如何通过调整在Ni-Cr-B-Si基体中加工碳化钨时的工艺参数，为这一目标群体取得明显更好的效果。“虽然改良后的合金硬度较低，但成本更低，加工过程更快。开裂的趋势也有所降低。”Wood解释说。

英国TWI技术中心的Josh Barras也提出了类似观点。他在题为“使用极高速激光材料沉积技术的功能性表面应用和案例研究”的演讲中，强调了极高速激光材料沉积工艺在修复过程中的优势。他在演讲中解释说：这种现已广泛应用的工艺速度快，具有经济优势，因此在许多应用中都很有吸引力。

 

激光束源

 

功率更大、更多波长、成本更低

当Peter Leibinger在2013年预测激光将成为一种商品时，他遭到了很多人的质疑。但他的预言成真了。如今，用于切割和焊接等成熟应用的激光光源在很大程度上已成为高技术水平的标准化产品。光纤激光器被认为是“工作母机”；不同制造商的产品参数越来越相似。因此，竞争和成本压力都在增加。

 

更具成本效益的工艺

有鉴于此，激光制造商正在转变工作重心：他们不再仅仅关注比传统解决方案更好，还关注如何使产品和工艺更具成本效益。使用垂直发射二极管激光器（VCSEL）加热就是一个很好的例子，这种激光器的效率值超过60%。正如来自通快光子元件公司的Holger Mönch在 AKL'24上所报告的，锂电池电极干燥等能源密集型工艺对VCSEL的需求正在增加。这是因为在这种多千瓦的应用中，高能效很快就能收回成本。

退火是与此相关的另一种大规模激光应用。显示器制造商使用这种热处理方式将非晶硅转化为多晶硅。数十年来，大型准分子激光器一直被用于此目的。不过，据COHERENT高意公司的Robin Rammelsberg报道，目前正在向固态激光器转换。这是因为固态激光器既能提供与准分子激光器相同的光束参数，又能降低运行成本，尤其是不再需要耗时的气体交换。由于激光退火被广泛应用于显示器生产中，因此这里正在形成一个巨大的市场，也将吸引其他固态激光器供应商。

 

超短脉冲激光器进入工业领域

二极管功率更大，波长更新颖，短脉冲系统更强大：在AKL'24有关光束源的会议上，其他发言都是这样描述当前趋势的。特别是近年来，短脉冲激光系统取得了许多进步。在这方面，工业界的重点正从研究领域的系统转向工业应用：通快（TRUMPF）现在首次推出了输出功率为1千瓦系统，这将大大提高大规模材料加工的效率。不过，向高输出功率扩展的工作仍将继续。目前，业界对基于激光的X射线、电子和粒子束源的研究正在推动这一发展。

 

参加AKL'24的还有EKSPLA和Light Conversion，这两家立陶宛供应商是短脉冲激光器领域的全球市场领导者之一。

 

EKSPLA为世界各地的顶级机构提供产品，包括美国国家航空航天局、欧洲核子研究中心、欧洲激光研究所、麻省理工学院和马克斯-普朗克研究所。在这里，人们的注意力也转向了工业用的高性能飞秒、皮秒和纳秒激光器。Light Conversion公司已向全球交付了约9000套系统，公司首席执行官Martynas Barkauskas也在发言中报告了紫外线和红外线范围内频率转换的新发展。

 

高效、大功率二极管激光器的新市场

所有激光器都需要更高的效率和功率，但二极管激光器尤其如此。来自美国的Leonardo Electronics公司首席技术官Steve Patterson在演讲中专门介绍了该公司正在开发的高功率二极管激光器模块，其重点是激光点燃的惯性聚变能（IFE）。这种二极管激光器的效率被认为是促进气候中和聚变能商业利用的决定性因素。据 Patterson称，公司已经向几个核聚变研究设施提供了二极管激光器模块，并参与了德国的研究项目。

聚变发电站的技术和经济潜力也是Constantin Haefner教授在全会闭幕式上演讲的主题。这位弗劳恩霍夫激光技术研究所所长强调了对高能高效二极管激光器的需求。这是提供所需的兆瓦级激光泵浦功率的关键，而兆瓦级激光泵浦功率对于持续点燃核聚变是必不可少的。Haefner还介绍了未来技术的高度动态性，因为它在全球范围内从基础研究推进到以应用为导向的研发。重点是：新型激光器、新型光学系统以及本质安全、气候中立的核聚变发电厂复杂工程中的新方法。

尽管技术任务具有挑战性，但经济前景同样令人期待。如果成功进入商用IFE领域，将为激光行业和高性能光学元件供应商打开一个潜力巨大的全球市场。Haefner在AKL'24的Gerd Herziger专场会议上已经关注了未来的光子市场：展望未来，他看到了巨大的、完全未开发的、具有数千亿欧元销售潜力的光子市场，包括量子技术、可持续性、二次资源、网络光子学和惯性聚变。

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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