千瓦功率促进超短脉冲激光材料加工

通快（TRUMPF）为工业用途设计的新型超短脉冲（USP）激光光束源将极大扩展超短脉冲加工的应用范围。位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所将在未来几个月内系统地探索平均输出功率为1kW光束源的潜力。除其他外，该机构还计划在电池和燃料电池生产、工具制造和半导体技术等领域进行工艺优化实验，并测试各种光束引导策略。其中许多试验应用都源于弗劳恩霍夫内部的高级光子源卓越集群（CAPS），弗劳恩霍夫协会的21家研究所都隶属于该集群。

“在弗劳恩霍夫CAPS小组中，我们希望弄清高功率光束源如何扩大超短脉冲激光加工的应用范围。”研究所微米和纳米结构小组组长Dennis Haasler博士解释说。他的团队将在接下来的几个月里通过适当的实验系统地研究这个问题。重点将放在通快生产的平均输出功率为1 kW的新型USP激光光束源上。

通快公司的 Steffen Rübling（左）和 Fraunhofer ILT 的 Dennis Haasler博士讨论通快 1kW 超短脉冲激光器的操作细节

作为双边合作的一部分，通快在向研究所提供新型TruMicro 9000系统，该系统专为工业应用而设计。该光束源的功率达到千瓦级，是目前工业级USP激光器平均功率的数倍。其10mJ 的脉冲能量也大大超过了以前的水平。事实上，该系统有可能提高超短脉冲材料加工的生产率，而这正是许多用户所期待的：它的脉冲持续时间小于900fs，有多种爆发选项，光束质量非常高（M²<1.3），而且在不同操作点具有高度灵活性，并符合通快工业激光器所熟悉的操作标准。Haasler解释说：我们第一次拥有了千瓦光束源，其性能与200W级的超短脉冲工业激光器相当。他和他的团队现在将评估如何将高能激光脉冲用于工业制造和精加工过程。

基于成熟技术组件组合的高性能

通快TruMicro系列超短脉冲激光器产品经理Steffen Rübling表示：通过在放大器链中组合久经考验的技术组件，我们成功地大幅提高了最大单脉冲能量和由此产生的平均功率。据 Rübling称，新光束源尽管输出功率惊人，但却能达到典型的超短脉冲激光光束质量，这是因为开发团队能够利用丰富的经验：公司提供各种功率等级的超短脉冲激光器，每种激光器都基于不同的放大器技术，包括光纤、盘式和板式放大器。

除产品组合中的这种技术多样性，团队还从连续波（cw）和短脉冲激光器的组件开发中获得知识。例如，新型TruMicro 9000的主放大器（即所谓的多通道单元）最初用于放大功率范围为3kW的纳秒脉冲。将这种久经考验的技术模块移植到超短脉冲光束源上，可确保其直接满足工业应用要求。有了这种稳定的光束源，研究所现在可以探索其应用潜力。

这取决于正确的工艺策略

研究所团队将重点关注工艺控制策略和系统设计，以优化利用高平均功率加工相关工件。为此，研究所的实验室提供了多个测试装置，团队可利用这些装置将光束源的高功率和高能量输入引导到工件表面，以实现有效而温和的加工。超短脉冲激光工艺的一个关键优势在这里得到了体现：虽然飞秒或皮秒脉冲集中了大量能量，但由于持续时间短，对材料的热负荷仍然很小。

由于新系统的功率为1kW，脉冲能量很高，因此必须采用分束和导束策略，通过加工过程的并行化大大提高生产率。为了证明这一点，Haasler的团队将依靠图4中示意性显示的四种系统技术方法：最简单的方法是通过传统振镜扫描仪实现的脉冲串模式。在这种模式下，飞秒脉冲的高能量最多可分配到8个单独脉冲上。研究人员还将使用特殊的系统技术和光学策略来实现光束整形和超快光束偏转，或实现加工过程的并行化。

Haasler解释说：我们需要采用不同的方法，以便找出可以采用哪种策略来实现相应工业应用的最高生产率。例如，从复合双极板上选择性烧蚀聚合物层所需的系统技术与逐点去除电池电极上的活性材料层以进行接触或金属表面微结构加工所需的系统技术，是不同的。

在超短脉冲加工过程中实现高平均功率的系统工程方法

超快光束导引或分成多达900个独立光束

在研究所，团队将把新的千瓦光束源与Moewe公司的多边形扫描仪结合起来，该扫描仪可在700×900mm2的加工区域内以高达1km/s的速度进行扫描。多光束系统也可用于测试，使他们能够在400×400mm2的处理区域内，使用单个光束或将光束分成100个甚至多达900 个并行部分光束来测试各种处理策略。该团队的第四种选择是使用空间光调制器（SLM）进行光束整形。这一前景广阔的方法目前仍在开发之中。由于光束可以转换成几乎任何设计的光学印章，因此它可以确保未来更高的加工效率。在与高功率超短脉冲激光器结合使用时尤其如此。

对可靠、高产能超短脉冲工艺的广泛需求

借助通快的新型超短脉冲光束源，弗劳恩霍夫的研究团队现在将详细说明如何在材料加工中使用千瓦级功率，以及高功率水平对加工质量、工件和所用光学元件的影响。Haasler解释说：10mJ的脉冲能量需要高质量、精确设计的光学元件。此外，还需要明确一些实际问题，如输入部件的热量或因材料烧蚀增加而可能产生的污染。此外，高烧蚀率和高重复率的组合在多大程度上会导致激光束在某些点产生不必要的屏蔽，或者在多光束加工过程中是否存在烧蚀材料与周围部分光束相互作用的风险，这些都是值得商榷的问题。

其他问题涉及加工室光学元件的使用寿命和污染以及辐射防护。最后但并非最不重要的一个问题是，1kW的功率是否足够，或者是否需要功率更大的激光器才能充分发挥超短脉冲工艺的工业潜力。据通快产品经理Rübling介绍，TruMicro 9000的模块化结构使之成为可能： 他解释说，除了进一步提高平均功率外，我们还可以转换波长或延长或缩短脉冲持续时间。

为准备当前系统的测试，研究所从理论上探讨了微米和纳米结构的各种应用，并根据所需的材料烧蚀量和烧蚀率计算了所需的激光功率。这些应用领域包括：对锂离子电池电极上的石墨层进行有针对性的结构处理，以提高其功率密度和快速充电能力；对燃料电池和电解槽的双极板进行选择性烧蚀或选择性粗化；对印刷辊进行激光结构处理；以及印刷电子产品中的特定应用。

其他前景广阔的应用领域包括超快速纳米抛光、滤水器中的微钻孔以及将晶片切割成单个芯片。据Haasler称，高性能超短脉冲工艺在特定表面功能化方面也具有巨大潜力，例如在防反射特性、自清洁效果或摩擦最小化和流动优化方面。由于超短脉冲工艺适用于生产用于卫星散热的高辐射铝表面，因此航空航天业也需要这种功能化。

超短脉冲激光器推动了二次资源的发展

“超短脉冲工艺的质量已在上述许多应用中得到证实。现在重要的是将生产率提高到工业水平，”Haasler解释说，“为了使高性能超短脉冲工艺能够在未来真正改善越来越多的产品，它们必须满足现有工艺链的周期时间和成本框架。”

另一个可能的应用是使用二次源产生X射线，研究所正在与通快及其他工业合作伙伴一起，在当前由BMBF资助的研究项目XProLas中探索这一应用。超短脉冲激光器是产生X射线时的上游光束源。它们的高强度脉冲被压缩到50飞秒以内，并集中击中所谓的目标（镓、铟或锡等金属）。根据不同的目标，会产生不同的等离子体，以极短波光的形式发射出部分能量。该项目计划开发高度紧凑、性能卓越的X射线源，以便在未来深入了解正在进行的电池充放电过程。

实现可持续发展的重要动力

基于对各种应用和材料的理论假设，研究小组现在将开始实际试验。他们的目标是验证假设的生产效益。无论是选择性烧蚀复合双极板的聚合物层，还是粗化金属双极板的不锈钢表面，该团队都将系统地检验新的1kW光束源的潜力。在需要进行表面增大和改性、抛光、接触区曝光或纳米和微结构加工的情况下，超短脉冲工艺与相应的分束和束流引导策略相结合，可以显示出其独特的优势。从大幅提高材料加工的生产率到替代各种化学工艺，超短脉冲工艺都具有巨大的潜力。

因此，超短脉冲技术也将为可持续发展做出重大贡献：无论是利用多光束工艺在滤水器中钻出数十亿个细菌无法渗透的微孔，为飞机机翼和风力涡轮机转子叶片提供流动优化的微结构，还是通过纳米和微结构以及选择性材料烧蚀优化电池、燃料电池和电解器的性能，对环境和气候保护的益处都是显而易见的。因此，能量充沛的超短光脉冲为即将到来的可持续社会变革提供了新的动力。

作者：Dennis Haasler、Christian Vedder（弗劳恩霍夫激光技术研究所）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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