被宣稱為第四次工業(yè)革命的最有趣、但也最具挑戰(zhàn)性的方面之一，是大規(guī)模個(gè)性化需要靈活和可重新配置的生產(chǎn)系統(tǒng)。1實(shí)際上，這是工業(yè)革命(所謂的工業(yè)4.0)首次已經(jīng)提前公布，但對(duì)普遍適用且靈活的生產(chǎn)工具的需求是激光器的巨大機(jī)會(huì)。

幾十年來(lái)，眾所周知，激光是一種非常靈活的材料加工工具，可用于滿足各種制造應(yīng)用，實(shí)際上涵蓋了德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 8580定義的所有制造工藝。DIN 8580將工藝分為模塑、成型、分離、連接，涂覆和改變材料特性(見(jiàn)圖1)。在1992年的教科書(shū)中，Helmut Hügel已經(jīng)這樣說(shuō)道：“激光在工業(yè)制造中的重要性，在于其在各種加工工藝方面的非凡靈活性，包括切割、燒蝕、鉆孔、焊接、硬化、合金化、重熔，以及眾多材料和不同的工件配置。”

圖1：激光可用于材料加工應(yīng)用，涵蓋德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 8580定義的整個(gè)工藝范圍。

Molding：模塑

Forming:成型

Separating:分離

Joining:連接

Coating:涂覆

Change material properties:材料改性

這就是我們已經(jīng)習(xí)慣于將激光視為通用生產(chǎn)工具的原因。但到目前為止，我們總是使用完全不同的激光來(lái)應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用。其主要原因是各種工藝的物理要求，特別是平均激光功率、強(qiáng)度、脈沖持續(xù)時(shí)間，峰值強(qiáng)度或峰值能量密度，以及有時(shí)波長(zhǎng)也都是完全不同的。第二個(gè)原因是到目前為止，超短脈沖激光(USP激光;也稱為超快激光)的設(shè)置提供脈沖持續(xù)時(shí)間在皮秒或飛秒范圍內(nèi)的脈沖，與自由運(yùn)行的脈沖或連續(xù)波(CW)激光顯著不同。與此同時(shí)，這些不同激光器提供的平均功率相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此使用USP激光進(jìn)行微加工的效率，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用高功率CW激光器進(jìn)行宏觀加工的效率。

圖2：德國(guó)斯圖加特大學(xué)Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW)開(kāi)發(fā)的多程碟片激光放大器，核心是平面反射鏡陣列，引導(dǎo)超短脈沖激光束在薄的碟片激光晶體上多次放大;3,4直到現(xiàn)在才通過(guò)這種方法展示了平均輸出功率高達(dá)2.5kW，脈沖持續(xù)時(shí)間為幾皮秒的輸出。

擴(kuò)展USP激光系統(tǒng)的功能

但所有這一切都將改變。由于USP激光器的平均輸出功率剛剛進(jìn)入數(shù)千瓦級(jí)(見(jiàn)圖2)，3-5這種類(lèi)型激光器的使用目前正在擴(kuò)展到傳統(tǒng)的微加工實(shí)驗(yàn)室之外，并且確實(shí)征服了大規(guī)模的制造應(yīng)用。6,7因此，我們將看到更多基于激光的高精度超快材料加工在大型生產(chǎn)機(jī)器上進(jìn)行，初看起來(lái)與我們用于切割或焊接等的經(jīng)典宏觀應(yīng)用非常相似(見(jiàn)圖3)。因此，在同一臺(tái)機(jī)器上執(zhí)行所有已知激光材料加工應(yīng)用的想法很自然。但這可以用同一臺(tái)激光器實(shí)現(xiàn)嗎?

圖3：顯示了使用高功率CW激光進(jìn)行遠(yuǎn)程焊接的典型安裝(IFSW，斯圖加特大學(xué));在未來(lái)，類(lèi)似的裝置也可能用于使用千瓦級(jí)USP激光進(jìn)行高產(chǎn)的微材料加工。

實(shí)際上，這個(gè)問(wèn)題并不新鮮。在1993年于慕尼黑舉行的第11屆國(guó)際激光大會(huì)上，Andreas Gebhardt教授和他的同事們討論了特別是中小型企業(yè)的期望，即所有不同的激光制造應(yīng)用，應(yīng)該使用同一個(gè)激光設(shè)備8，這種期望至今仍未實(shí)現(xiàn)。然而，觀察現(xiàn)代高功率USP激光器的模塊化結(jié)構(gòu)，可以很容易地得出結(jié)論：應(yīng)該可以設(shè)置能在不同工作模式之間切換的激光器，并且適用于所有常見(jiàn)的材料加工應(yīng)用。

提供高平均功率的超短脈沖激光系統(tǒng)，都基于小的種子振蕩器和一個(gè)或多個(gè)放大級(jí)(圖4)。重要的是，在高平均功率下，這些放大器(例如片狀預(yù)放大器和多程碟片功率放大器)對(duì)于超短脈沖或CW輻射同樣有效。因此，通過(guò)集成額外或更靈活的種子源，沒(méi)有技術(shù)上的原因會(huì)阻礙我們建立一個(gè)可以在CW和脈沖或USP操作之間切換的單套激光系統(tǒng)。

圖4：該原理圖顯示了高功率USP激光器的典型架構(gòu);可以使用相同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)可以在不同操作模式之間切換的(單套)激光系統(tǒng)，因而適用于所有常見(jiàn)的材料加工應(yīng)用。

Seed：種子源

Low power:低功率

Low invest:低投資

In future: several seeds or a flexible one未來(lái)：幾個(gè)種子或可變

Switchable: for example, between picosecond, nanosecond, continuous-wave 可切換：例如皮秒、納秒和連續(xù)波

Pulse picking:脈沖拾取

Pre-amplifier:預(yù)放

Fiber, slab, disk 光纖，平板，碟片

Power booster:功率放大器

Multipass thin-disk amplifier多程薄碟片放大器

Application應(yīng)用

初次嘗試中，可以選擇在同一系統(tǒng)中僅實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或更多種子源，例如超快速鎖模振蕩器和簡(jiǎn)單的CW激光器。由于大多數(shù)系統(tǒng)包括用于拾取發(fā)射到放大器鏈中的脈沖的脈沖拾取器，因此可以容易地使用脈沖拾取器在兩個(gè)種子源之間切換。在更高級(jí)的方法中，可以使用一種可以在不同模式下(鎖模、調(diào)Q和CW)運(yùn)行的種子源。由于可以在不同運(yùn)行模式之間切換的二極管激光器已經(jīng)可用，因此即使這種想法也不是一場(chǎng)革命。9

將當(dāng)前大功率USP激光器的常用架構(gòu)再往前推幾步，我們可能實(shí)現(xiàn)一種激光器，可以提供幾千瓦的平均輸出功率，可以在不同的運(yùn)行模式之間切換，從輸出超短脈沖到常見(jiàn)的CW輻射。此外，可以從最先進(jìn)的激光器獲得高功率或高強(qiáng)度，也使得通過(guò)非線性光學(xué)效應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換越來(lái)越有吸引力和有效(見(jiàn)圖5)。因此，我們不僅能夠在不同的脈沖持續(xù)時(shí)間和CW運(yùn)行之間切換，而且能夠在不同波長(zhǎng)之間切換。這將最終滿足可以使用同一臺(tái)激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)大多數(shù)已知的材料加工應(yīng)用的期望。

圖5：CW碟片激光器的腔內(nèi)倍頻。10

這通向一種通用機(jī)器，只需改變其操作參數(shù)，即可幾乎執(zhí)行一整套基于激光的加工工藝。這不僅是工業(yè)4.0的理想軟件控制通用工具，將肯定也證實(shí)其他經(jīng)常被引用的宣言，即21世紀(jì)將是光子的世紀(jì)。

迎接挑戰(zhàn)

當(dāng)然，在此過(guò)程中仍然存在一些挑戰(zhàn)。一些仍然與光學(xué)有關(guān)，例如對(duì)高能超短脈沖的光纖光束傳輸?shù)男枨?。其他人則關(guān)注系統(tǒng)工程。得益于激光源和激光材料加工物理基礎(chǔ)知識(shí)的巨大進(jìn)步，我們?cè)诤艽蟪潭壬现廊绾魏筒捎煤畏N策略，以及哪種工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)理想的工藝。在這里，瓶頸往往更像是機(jī)器本身。事實(shí)上，根據(jù)計(jì)劃的應(yīng)用，用于激光加工的機(jī)器應(yīng)該快約100倍，或精確約10倍。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們應(yīng)該停止將激光機(jī)器僅僅視為內(nèi)置激光器的機(jī)床。相反，我們應(yīng)該從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)激光機(jī)器，視其為光子系統(tǒng)。這將需要新的科學(xué)方法和系統(tǒng)工程方法，并將成為激光制造未來(lái)成功的關(guān)鍵。