潜入深海，未来激光应用潜力无限

占地球表面70%的海洋贮藏着宝贵财富和巨大能量，而人类勘探海洋资源的脚步始终没有停止。随着激光工艺的深入发展，近年来业界也逐渐将海洋应用作为关注点之一。

 

德国弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所所长Christoph Leyens教授对此表示：未来，人类必须更多地利用近海储量，以开发和扩大环保型能源。为此，研究所正在推动金属水下激光加工的新工艺。

 

Christoph Leyens教授

 

海上风力涡轮机的基础、港口保护系统、钢板桩、拦河坝、水闸甚至管道，都可以直接在水中加工。另一个应用领域是拆除废弃的核反应堆，在这种情况下，激光工艺可以在水下轻柔地拆除钢结构，同时尽可能少地溶解放射性物质。

 

水下激光切割不锈钢的演示

 

水下激光切割需要绿光或蓝光激光。这是因为陆上使用的长波激光在水中散射太强，能量消失非常迅速。相比之下，短波激光在水下仍能保持聚焦。自通快、Coherent高意、Laserline和NUBURU等制造商开始提供功率在千瓦范围内的绿光和蓝光激光器以来，水下激光切割已成为一种高效、低维护的替代方法，取代以前使用的机械切割工艺。

 

Madlen Borkmann博士

 

研究所激光切割小组经理Madlen Borkmann博士谈到：我们目前正在对更厚的材料和更高的激光功率进行测试。与陆上激光切割不同的是，水下激光切割不需要外部气体供应：水将熔融金属从切口中挤出。水看似是一种障碍，但却有利于加工。对于结构紧凑、机动性强的水下机器人来说，减轻气体配置负担是重要的先决条件。

 

 

切割、焊接和清洁船体
水下激光加工是汉诺威激光中心（LZH）的重点工作。中心的水下技术小组在位于汉诺威的水下技术中心和北海赫尔戈兰岛测试区，在用于深海模拟的特殊压力罐中开发用于海上应用的创新激光工艺。

 

自保护药芯焊丝电弧焊工作示意图

 

其中，包括自保护药芯焊丝电弧焊。这是一种可以直接从焊丝卷轴上进行连续激光焊接的工艺。它可以替代现有手工电极焊接工艺，因为在这种工艺中，电极更换会经常会中断浸渍过程。此外，LZH还在开发用于拆除退役核电站的低污染水下分离工艺。

 

LZH还与弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所和Laserline等合作伙伴，共同开发了一种用于清洁船体的环保型激光工艺。Laserline提供蓝光二极管直接发射器，用于照射船体并清除贝壳、藻类和其他生物。船体上的污垢不仅会增加流动阻力，从而增加船舶的燃料消耗，而且还会引入新的物种，威胁当地的生态系统。

 

经激光照射的样品和未经激光照射的样品的结果

 

该工艺利用短波激光辐射杀死污垢，不会损坏船体涂层。死亡的生物会在下一次航行时被水流带走。有关于这项工艺的自动化系统，目前也已提上日程：激光系统将安装在磁性履带上，以便在水下扫描和照射船体。这些履带通常用于干船坞。目前，该项目正在将该技术应用于水下激光治疗。

 

汉诺威激光中心在展会上演示水下机器人激光切割

 

探测深海中的原材料
激光还有助于未来探索深海。迄今为止，巨大的压力和绝对的黑暗，阻碍了人类对深海的探索。事实上，许多行星的地图分辨率都高于海洋深处。但光子学也在这里创造了新的可能性。除其他外，它还与海底原材料的勘探有关。为此，LZH与莱布尼茨等离子科学与技术研究所合作，正进一步开发激光诱导击穿光谱（LIBS）方法。这种分析方法在航空航天和回收利用行业得到了广泛应用，将高能量的短激光脉冲发射到材料上，并在其影响下形成等离子体。

 

激光诱导击穿光谱是一种快速化学分析技术，利用短激光脉冲在样品表面产生微等离子体。通过一组光学透镜和光纤收集发射光

 

通过光谱分析，可以确定材料的确切成分。研究小组开发了一种新双脉冲技术，以便能够在深海条件下使用该过程。第一个激光脉冲在材料表面产生一个气泡，第二个脉冲将材料蒸发成等离子体，然后通过光谱仪读出等离子体。虽然概念简单，但深海的压力条件使这一过程变得复杂。这就需要对脉冲能量、脉冲持续时间和两个脉冲之间的距离，进行细致的相互作用，以产生具有适当强度、有意义的光谱。

 

来自中国科学院的一个研究小组，也在研究深海中的激光诱导等离子体。研究团队采用了一种不同的方法，在海洋底部的巨大压力（60MPa）下产生激光诱导等离子体。研究小组将高压氦气导入被研究材料的表面。他们在气体中使用高能激光产生有意义的光谱，用于LIBS分析。

 

作为NERITES项目的一部分，LZH科学家们开发了一种适用于100米水深的紧凑型LIBS系统

 

研究发现，在高压水和气体环境中，激光能量的增加有着不同的规律。等离子体图像显示，在高压气体中缩短激光传输距离可以提高信号强度。该项目是中国“国家重点研发计划”的一部分，表明了在深海勘探原材料的战略重要性。这是因为深海中蕴藏着大量有价值的矿物和金属，而这些正是电动汽车和可再生能源发展等所需要的。

 

 

未知动物群和未开发的生态系统
使用LIBS的目的，是使现场实时分析岩石和结核的物质成分成为可能。激光分析可以代替昂贵的潜水机器人取样和实验室分析，或者代替大规模耙取潜在的原材料，从而有针对性地、温和地寻找原材料。因此，开采可以仅限于有价值的区域。否则，就有可能出现这样的情况：在人们认识和了解深海生态系统的生物多样性之前，它们就已经遭到破坏甚至毁灭。

 

在探索原材料的同时，研究小组还在努力揭示深海永恒的黑暗，并研究生活在那里的动物。为此，他们还使用了激光。在这种情况下，长波红光源很有帮助，因为生活在那里的动物无法察觉。因此，它们不会受到干扰，研究人员就能观察和了解它们的自然行为。

 

 

Coherent高意为蒙特雷湾水族馆研究所的这一项目提供了激光光源。它提供了足够的光线来录制深海视频和探索生活在那里的生物。其他团队正在使用拉曼光谱和激光诱导原生荧光（LINF）等光子方法，来分析不同水深和海底的矿物和有机悬浮物质。

 

这关系到对生态系统、相互联系和生命物质循环的基本认识。光子学是实现这一目标的关键技术。因为它可以直接在现场进行大规模的实时分析，节省了研究人员在选择性取样，以及将样本运输到实验室上的时间。