创纪录微加工速度：超短脉冲激光压印重塑工具与玻璃制造行业

现代表面处理工艺使用户能够精确调整材料性能。例如，摩擦系数可在宽范围内调控；表面可实现疏水/亲水特性，甚至具备抗菌功能。然而，此类微结构的制造往往面临挑战，超短脉冲激光烧蚀技术需将微小激光点引导扫描整个表面，导致大面积加工极其耗时。

 

湿化学蚀刻不仅产生危害健康和环境的有害废物，还因为使用掩模而缺乏灵活性；电火花加工同样存在缺陷，能耗巨大，不仅产生有毒污泥，且只能形成随机分布的非确定性微结构。

 

弗劳恩霍夫激光技术研究所微纳结构化研究组的Sönke Vogel解释道：光学冲压工艺可有效规避这一问题。Vogel及其团队采用空间光调制器，将超短脉冲激光束精确塑形为所需图案，并一步完成工件表面处理。该技术创建的微结构具有精度高、可重复性好的特点，耗时仅为传统方法的几分之一。与机械加工相比显著降低磨损，且无需光学系统重配置。

 

通过光学冲压工艺，超短脉冲激光束可被精确塑形为目标图案——如图所示蝴蝶形态。该技术能以远超传统工艺的速度，实现精密可控且具优异重复性的微结构加工

 

在光学冲压工艺中，激光束并非像常规方式那样通过扫描振镜进行矢量路径扫描，而是被一步成形为所需结构图案并直接转印至工件表面。其核心组件是采用硅基液晶（LCoS）技术的空间光调制器。

 

这种反射式液晶显示器以像素级精度改变局部折射率，从而调制入射激光的波前相位。如此一来，初始圆形光斑即可被转化为复杂的、可自由选择的强度分布形态。

 

亚琛工业大学光学系统技术研究所（TOS）计算光学研究员Paul Buske，采用光学神经网络为空间光调制器开发相位掩模。每个相位掩模对应一个光学实现平面，并采用波动光学方法计算这些平面间的连接关系。

 

这使得几乎任何所需光束轮廓的相位掩模，都能被快速精确创建。得益于成熟的人工智能训练方法，光学神经网络实现了光束整形前所未有的灵活性。

 

与永久安装的束形光学元件不同，这种方法可通过软件灵活调整图案，无需机械变更。图案尺寸和几何形状可进行变更、扩展或完全替换。脉冲持续时间在皮秒至飞秒范围的超短脉冲激光能够以极高精度去除材料，同时最大限度减少热效应。

 

凭借这项创新，工业界可生成具有精确几何可重复性的确定性微结构，显著缩短加工时间，并使结构适配单个部件或后续工艺的特定需求。

 

 

钢板定制化微结构加工
在平板钢材生产中，压花辊表面迄今主要采用电火花加工制备随机微结构。虽然这种方式压印的结构可改善材料弯曲性或涂层附着力等性能，但无法针对特定后续工艺进行定制化设计。此外，压花辊表面磨损迅速，需定期以高昂成本返修。

 

在欧盟METAMORPHA项目中，弗劳恩霍夫激光技术研究所与亚琛工业大学光学系统技术研究所正携手蒂森克虏伯欧洲钢铁公司等合作伙伴推行创新方案。该项目致力于开发创新表面技术，从而可持续提升欧洲平板钢材产品质量。合作团队成功将工艺时间缩短81%。

 

与永久性安装的束形光学元件不同，光学冲压技术可通过软件灵活调控图案形态

 

虽然电火花加工形成的结构需要将磨损的辊面机械研磨后完全重建，但确定性激光结构可进行针对性激光修复。此举能将轧辊使用寿命延长十倍——这在材料利用率、能耗和生产成本方面具有显著优势。

 

蒂森克虏伯欧洲钢铁公司技术研发与创新部的项目负责人Benjamin Lauer和Kai Horwat解释道：创新表面技术是保障欧洲平板钢材产品质量与竞争力的重要抓手。METAMORPHA项目中的合作，展示了激光工艺如何直接转化为工业实践。

 

 

高速结构化信号传输技术
另一项技术演示涉及低辐射玻璃（Low-E玻璃）——这种玻璃表面的超薄金属层可反射热辐射，从而保护建筑或车辆内部免受热效应影响。然而该涂层同时会阻断手机信号。为实现信号接收，需对金属层进行局部去除，而采用扫描式单光束超短脉冲激光的传统工艺，极其耗时。

 

光学冲压微结构的三维表面形貌：通过静态激光脉冲生成确定性基础图案，呈现出几何特征清晰且具高度可重复性的浮雕结构

 

光学冲压技术可在单脉冲内于涂层制备精密开口，且不会使玻璃产生热应力。超短脉冲激光以微米级精度去除镀层，同时确保基材零损伤。

 

在弗劳恩霍夫激光技术研究所的测试中，通过空间光调制器将光束成形为直径450µm的圆环图案，以9m/s进给速度、200µJ脉冲能量及20kHz重复频率进行加工（飞行中的单脉冲烧蚀）。

 

结果获得清晰锐利的结构，在允许无线电波通过的同时显著保持隔热性能。与传统扫描工艺（3m/s、600kHz、4µJ/脉冲）相比，加工速度与面积处理率提升达30倍。

 

 

应用前景展望
光学冲压技术的潜力，远不止于钢铁金属加工或玻璃工业。原则上，任何需要周期性微结构的应用领域都能开发。以疏水表面为例，定制的微浮雕结构可特异性增大水接触角。此类结构能助力燃料电池高效排出冷凝水，从而提升性能。

 

采用光学冲压工艺制造的零部件

 

另一应用领域是零部件的数据矩阵码直接标刻——光学冲压可在毫米尺度上通过单步工艺生成编码，这对医疗技术或制药等具有高追溯性要求的行业尤为有利。在工程陶瓷加工和塑料表面功能化领域也展现出新的可能性。

 

“光学冲压技术最显著的优势在于速度、精度与灵活性的结合”，Vogel表示，“我们能在毫秒级时间内通过软件调整结构图案，无需光学系统机械重组。这不仅为轧辊或低辐射玻璃等现有应用开辟新可能，更为全新市场带来机遇。”