摘自 江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：

據(jù)悉，在2021年的EPIC大會上，關(guān)于激光供應(yīng)鏈如何支持新的前沿領(lǐng)域的討論非常活躍?；诩す獾谋砻婀δ芑匀皇且粋€熱門話題，在玻璃中的激光微鉆孔已經(jīng)實現(xiàn)了非常高的吞吐量。我們在此報告最終用戶、服務(wù)和機(jī)器供應(yīng)商的愿望清單，包括與他們合作的有趣機(jī)會。

圖1激光微加工在鑄造行業(yè)的不同應(yīng)用。硬幣上的純黑色、灰色陰影和顏色效果（a）以及模具上的激光表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的全息效果（b）。（c）中的面板顯示了表面結(jié)構(gòu)示例的微觀視圖。

激光微加工沒有一個明確的定義，但在這里，它在更廣泛的意義上是指所有材料加工，其中短脈沖和超短脈沖（USP）激光用于定義微米和亞微米尺度的特征。這些過程可能會影響表面特性（例如表面功能化）或大塊材料（例如微鉆孔、微車削，甚至微焊接）。從歐洲光電子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（EPIC）框架內(nèi)的經(jīng)驗來看，整個供應(yīng)鏈對激光微加工的新發(fā)展和應(yīng)用的興趣是巨大的。

造幣業(yè)給激光制造和集成領(lǐng)域的專家?guī)砹烁鞣N應(yīng)用和技術(shù)挑戰(zhàn)。加拿大皇家造幣廠（RCM）是這一行業(yè)的知名代表，經(jīng)營加拿大和外國硬幣以及錢幣收藏硬幣和獎?wù)碌闹圃臁Ｋ麄円呀?jīng)應(yīng)用激光技術(shù)好幾年了，尤其是在四個主要產(chǎn)品類別中。第一種是在不影響9999甚至99999黃金純度的情況下，對黃金收藏者硬幣應(yīng)用特殊視覺效果。通過激光表面紋理處理，可以避免使用合金，并將納米級特征直接印在硬幣的金色表面上，以影響其光學(xué)特性，從而產(chǎn)生純黑色（完全吸收）、灰色或不同的顏色效果（見圖1a）。同樣的策略也可以應(yīng)用在硬幣上，例如直接將2D/3D全息效果轉(zhuǎn)移到金幣或銀幣上（見圖1b）。

這些光學(xué)特征是通過使用激光微加工在硬幣或模具表面創(chuàng)建微或納米結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的（見圖1c）。第四個應(yīng)用程序支持防偽或防偽，以保持一致性和安全特性，并基于迄今為止提到的所有技術(shù)，結(jié)合獨(dú)家數(shù)字加密技術(shù)，在硬幣上生成特殊的獨(dú)特安全特性。RCM已經(jīng)認(rèn)識到激光技術(shù)的潛力，因此，他們期待著獲得激光微加工界的支持，同時也面臨一些挑戰(zhàn)。

RCM的另一個愿望是在硬幣上實現(xiàn)特殊的高級表面特征。它們將在很大程度上受益于進(jìn)一步的動態(tài)和動畫效果，包括灰度和顏色，適用于不同的通道，而不是前面提到的全息效果。反盜版也是一個應(yīng)用領(lǐng)域，RCM認(rèn)為激光微加工專家可以幫助加強(qiáng)現(xiàn)有措施，增加先進(jìn)的安全功能。

造幣業(yè)可以依靠激光表面紋理來提供硬幣的高級功能，例如超疏水或抗菌功能，這些功能在非常廣泛的行業(yè)中越來越重要。

對于RCM而言，與視覺系統(tǒng)相結(jié)合的激光工藝已被證明總體上比采用傳統(tǒng)方法的制造工藝更有效，例如噴砂以達(dá)到結(jié)霜效果，這可能需要一些事先的人工掩蔽。因此，造幣業(yè)的要求是進(jìn)一步提高表面質(zhì)量和更令人興奮和新穎的表面特征。

Microrelleus公司是一家熟悉鑄造行業(yè)需求的車間和服務(wù)提供商，通過充分的研究和測試，他們可以將獲得的經(jīng)驗應(yīng)用于不同類型的鋼材。使用集成USP激光器的五軸機(jī)器進(jìn)行表面處理是他們的核心業(yè)務(wù)。他們的目標(biāo)是實現(xiàn)模具內(nèi)超越平面或3D形狀的工業(yè)化。它們的主要應(yīng)用是微結(jié)構(gòu)，例如用于照明行業(yè)，以實現(xiàn)光波導(dǎo)或自由形式光學(xué)器件的均勻光擴(kuò)散或均勻光強(qiáng)度，從而產(chǎn)生不同的功能光效果。功能性紋理，如疏水性或自潤滑紋理，也是其服務(wù)組合的一部分。精細(xì)表面紋理的耐久性和敏感性仍然是整個供應(yīng)鏈應(yīng)致力于改進(jìn)的挑戰(zhàn)。

圖2 Lasea公司的微加工能力示例。深黑色紋理宏（左）和微觀視圖（右）（來源：Lasea）

Lasea是確保fs激光器能夠通過將其集成到可靠系統(tǒng)中來最好地展示其性能的公司之一。在高平均功率下，殘余熱效應(yīng)變得顯著，可能會降低加工和光學(xué)元件的質(zhì)量，帶來特定的新挑戰(zhàn)。因此，必須根據(jù)激光應(yīng)用和規(guī)格，采用新的策略：激光束整形、高速掃描、并行處理或其組合。Lasea的微加工工作站是根據(jù)從奢侈品到醫(yī)療和電子行業(yè)的最新研發(fā)趨勢制造的，還包括鑄造行業(yè)所需的深黑色紋理（參見圖2中的示例）。

來自Fraunhofer IWS和工業(yè)界的專家最近成立了初創(chuàng)公司Fusion Bionic，將一種基于干涉的技術(shù)商業(yè)化，用于使用USP激光器進(jìn)行高速表面功能化。它們提供的解決方案包括用于直接激光干涉圖案化（DLIP）的緊湊模塊，例如與不同波長的激光器集成，并適合在各種材料上生成200 nm到30μm之間的可變表面特征尺寸。這些可以是金屬、聚合物、玻璃或陶瓷，用于表面功能化，如防冰、高效除冰和增暗（也用于玻璃）。

圖3光電子公司車間的微加工能力示例：8英寸、500µm厚的熔融石英晶片上有300萬個孔；宏觀（左）和微觀（右）視圖。（來源：Workshop of Photonics）

綠色波長通常比標(biāo)準(zhǔn)的1µm更適用于玻璃的表面處理。Hellas研究與技術(shù)基金會的FORTH公司專注于利用USP激光對玻璃進(jìn)行激光納米紋理處理，以增強(qiáng)抗眩光、抗反射和防霧等性能。WOP）既是機(jī)器制造商，將USP激光器集成到完整的工作站中，也是必須快速交付的中批量生產(chǎn)的服務(wù)提供商。玻璃加工是他們的關(guān)鍵能力。他們的專有技術(shù)允許使用fs激光在玻璃晶片上進(jìn)行超快（高達(dá)1200個孔/秒）鉆孔，然后對玻璃晶片進(jìn)行化學(xué)蝕刻（見圖3）。他們還可以利用自己在激光塑料和光學(xué)聚合物切割和鉆孔方面的經(jīng)驗提供支持，

能源部門也對玻璃加工感興趣，并擴(kuò)展到其他更奇特的材料。通用原子公司（General Atomics）開發(fā)了精細(xì)微加工方面的專業(yè)技術(shù)，為美國的聚變研究項目提供支持。他們的任務(wù)包括在鈹殼上鉆200µm深、5µm大的孔，以及加工鎂玻璃和貧鈾等難加工材料，使其成型和成型。

圖4 Oxford激光器的微加工能力。右上角順時針方向的圖像：硼硅酸鹽玻璃中的激光銑削微流體，異種材料的激光焊接——BK7玻璃焊接到鋁上，控制潤濕性（疏水性）的激光表面紋理，薄膜圖案——PET上的氧化銦錫，不銹鋼通道的表面紋理，聚酰亞胺上的激光鉆孔90µm，用激光在氮化硅上鉆50µm的方孔，用激光在鉬上鉆35µm的孔。中心圖片：Oxford激光C系列工業(yè)微加工工具（來源：Oxford激光）

Oxford激光公司是激光微加工工具和分包服務(wù)提供商中的領(lǐng)導(dǎo)者之一，涵蓋了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域（見圖4）。例如，使用USP激光器，它們能夠直接將玻璃焊接到不相似的材料上，例如玻璃到金屬、硅或焊接到玻璃本身，而無需任何額外的夾層，如光學(xué)粘合劑。這在國防/航空航天/光電子應(yīng)用以及OLED照明的復(fù)雜電光器件制造中極為有益，提供真正的密封和精確的光學(xué)鍵合。

近年來，由于各種激光基礎(chǔ)技術(shù)的需求日益增加，光束整形技術(shù)日益繁榮和多樣化。許多供應(yīng)商，如Asphericon提供全面和非球面范圍的激光束處理元件，Suss MicroOptics為任何標(biāo)準(zhǔn)和挑戰(zhàn)性的光束形狀提供折射和衍射顯微光學(xué)，Cailabs多平面光轉(zhuǎn)換技術(shù)用于大功率應(yīng)用的光整形專家，Optimax在非球面、柱面、棱鏡、球體和自由曲面方面的能力，以及Qiova憑借其創(chuàng)新的數(shù)字光束整形解決方案，都是希望提高激光微加工工作站性能的系統(tǒng)集成商。

超光譜成像快照cam-ERA最近被用于實施基于衍射儀的在線檢測系統(tǒng)，以監(jiān)控由快速USP激光加工的表面。歐盟資助的MULTIPLE計劃可以為激光微加工提供工具，因為它正在開發(fā)具有成本效益的多模態(tài)監(jiān)測解決方案，帶來最前沿的基于有機(jī)電子集成電路的傳感器，快照高光譜濾波器和雙孔徑成像，在廣泛的VIS/SWIR范圍內(nèi)提供光譜儀和相機(jī)核心。整個系統(tǒng)將是物聯(lián)網(wǎng)原生系統(tǒng)，通過將硬件與云、大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)相結(jié)合，實現(xiàn)基于人工智能的復(fù)雜模型的敏捷開發(fā)和協(xié)調(diào)，以提供生產(chǎn)線的全面監(jiān)控、控制和優(yōu)化。

來源：Photonics Views - 2021 - Moglia - New challenges for the laser micromachining community