摘自 江苏激光产业技术创新战略联盟
江苏激光联盟导读：
据悉，在2021年的EPIC大会上，关于激光供应链如何支持新的前沿领域的讨论非常活跃。基于激光的表面功能化仍然是一个热门话题，在玻璃中的激光微钻孔已经实现了非常高的吞吐量。我们在此报告最终用户、服务和机器供应商的愿望清单，包括与他们合作的有趣机会。
图1激光微加工在铸造行业的不同应用。硬币上的纯黑色、灰色阴影和颜色效果（a）以及模具上的激光表面结构产生的全息效果（b）。（c）中的面板显示了表面结构示例的微观视图。
激光微加工没有一个明确的定义，但在这里，它在更广泛的意义上是指所有材料加工，其中短脉冲和超短脉冲（USP）激光用于定义微米和亚微米尺度的特征。这些过程可能会影响表面特性（例如表面功能化）或大块材料（例如微钻孔、微车削，甚至微焊接）。从欧洲光电子产业联盟（EPIC）框架内的经验来看，整个供应链对激光微加工的新发展和应用的兴趣是巨大的。
造币业给激光制造和集成领域的专家带来了各种应用和技术挑战。加拿大皇家造币厂（RCM）是这一行业的知名代表，经营加拿大和外国硬币以及钱币收藏硬币和奖章的制造。他们已经应用激光技术好几年了，尤其是在四个主要产品类别中。第一种是在不影响9999甚至99999黄金纯度的情况下，对黄金收藏者硬币应用特殊视觉效果。通过激光表面纹理处理，可以避免使用合金，并将纳米级特征直接印在硬币的金色表面上，以影响其光学特性，从而产生纯黑色（完全吸收）、灰色或不同的颜色效果（见图1a）。同样的策略也可以应用在硬币上，例如直接将2D/3D全息效果转移到金币或银币上（见图1b）。
这些光学特征是通过使用激光微加工在硬币或模具表面创建微或纳米结构来实现的（见图1c）。第四个应用程序支持防伪或防伪，以保持一致性和安全特性，并基于迄今为止提到的所有技术，结合独家数字加密技术，在硬币上生成特殊的独特安全特性。RCM已经认识到激光技术的潜力，因此，他们期待着获得激光微加工界的支持，同时也面临一些挑战。
RCM的另一个愿望是在硬币上实现特殊的高级表面特征。它们将在很大程度上受益于进一步的动态和动画效果，包括灰度和颜色，适用于不同的通道，而不是前面提到的全息效果。反盗版也是一个应用领域，RCM认为激光微加工专家可以帮助加强现有措施，增加先进的安全功能。
造币业可以依靠激光表面纹理来提供硬币的高级功能，例如超疏水或抗菌功能，这些功能在非常广泛的行业中越来越重要。
对于RCM而言，与视觉系统相结合的激光工艺已被证明总体上比采用传统方法的制造工艺更有效，例如喷砂以达到结霜效果，这可能需要一些事先的人工掩蔽。因此，造币业的要求是进一步提高表面质量和更令人兴奋和新颖的表面特征。
Microrelleus公司是一家熟悉铸造行业需求的车间和服务提供商，通过充分的研究和测试，他们可以将获得的经验应用于不同类型的钢材。使用集成USP激光器的五轴机器进行表面处理是他们的核心业务。他们的目标是实现模具内超越平面或3D形状的工业化。它们的主要应用是微结构，例如用于照明行业，以实现光波导或自由形式光学器件的均匀光扩散或均匀光强度，从而产生不同的功能光效果。功能性纹理，如疏水性或自润滑纹理，也是其服务组合的一部分。精细表面纹理的耐久性和敏感性仍然是整个供应链应致力于改进的挑战。
图2 Lasea公司的微加工能力示例。深黑色纹理宏（左）和微观视图（右）（来源：Lasea）
Lasea是确保fs激光器能够通过将其集成到可靠系统中来最好地展示其性能的公司之一。在高平均功率下，残余热效应变得显著，可能会降低加工和光学元件的质量，带来特定的新挑战。因此，必须根据激光应用和规格，采用新的策略：激光束整形、高速扫描、并行处理或其组合。Lasea的微加工工作站是根据从奢侈品到医疗和电子行业的最新研发趋势制造的，还包括铸造行业所需的深黑色纹理（参见图2中的示例）。
来自Fraunhofer IWS和工业界的专家最近成立了初创公司Fusion Bionic，将一种基于干涉的技术商业化，用于使用USP激光器进行高速表面功能化。它们提供的解决方案包括用于直接激光干涉图案化（DLIP）的紧凑模块，例如与不同波长的激光器集成，并适合在各种材料上生成200 nm到30μm之间的可变表面特征尺寸。这些可以是金属、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）。
图3光电子公司车间的微加工能力示例：8英寸、500µm厚的熔融石英晶片上有300万个孔；宏观（左）和微观（右）视图。（来源：Workshop of Photonics）
绿色波长通常比标准的1µm更适用于玻璃的表面处理。Hellas研究与技术基金会的FORTH公司专注于利用USP激光对玻璃进行激光纳米纹理处理，以增强抗眩光、抗反射和防雾等性能。WOP）既是机器制造商，将USP激光器集成到完整的工作站中，也是必须快速交付的中批量生产的服务提供商。玻璃加工是他们的关键能力。他们的专有技术允许使用fs激光在玻璃晶片上进行超快（高达1200个孔/秒）钻孔，然后对玻璃晶片进行化学蚀刻（见图3）。他们还可以利用自己在激光塑料和光学聚合物切割和钻孔方面的经验提供支持，
能源部门也对玻璃加工感兴趣，并扩展到其他更奇特的材料。通用原子公司（General Atomics）开发了精细微加工方面的专业技术，为美国的聚变研究项目提供支持。他们的任务包括在铍壳上钻200µm深、5µm大的孔，以及加工镁玻璃和贫铀等难加工材料，使其成型和成型。
图4 Oxford激光器的微加工能力。右上角顺时针方向的图像：硼硅酸盐玻璃中的激光铣削微流体，异种材料的激光焊接——BK7玻璃焊接到铝上，控制润湿性（疏水性）的激光表面纹理，薄膜图案——PET上的氧化铟锡，不锈钢通道的表面纹理，聚酰亚胺上的激光钻孔90µm，用激光在氮化硅上钻50µm的方孔，用激光在钼上钻35µm的孔。中心图片：Oxford激光C系列工业微加工工具（来源：Oxford激光）
Oxford激光公司是激光微加工工具和分包服务提供商中的领导者之一，涵盖了广泛的应用领域（见图4）。例如，使用USP激光器，它们能够直接将玻璃焊接到不相似的材料上，例如玻璃到金属、硅或焊接到玻璃本身，而无需任何额外的夹层，如光学粘合剂。这在国防/航空航天/光电子应用以及OLED照明的复杂电光器件制造中极为有益，提供真正的密封和精确的光学键合。
近年来，由于各种激光基础技术的需求日益增加，光束整形技术日益繁荣和多样化。许多供应商，如Asphericon提供全面和非球面范围的激光束处理元件，Suss MicroOptics为任何标准和挑战性的光束形状提供折射和衍射显微光学，Cailabs多平面光转换技术用于大功率应用的光整形专家，Optimax在非球面、柱面、棱镜、球体和自由曲面方面的能力，以及Qiova凭借其创新的数字光束整形解决方案，都是希望提高激光微加工工作站性能的系统集成商。
超光谱成像快照cam-ERA最近被用于实施基于衍射仪的在线检测系统，以监控由快速USP激光加工的表面。欧盟资助的MULTIPLE计划可以为激光微加工提供工具，因为它正在开发具有成本效益的多模态监测解决方案，带来最前沿的基于有机电子集成电路的传感器，快照高光谱滤波器和双孔径成像，在广泛的VIS/SWIR范围内提供光谱仪和相机核心。整个系统将是物联网原生系统，通过将硬件与云、大数据和深度学习相结合，实现基于人工智能的复杂模型的敏捷开发和协调，以提供生产线的全面监控、控制和优化。
来源：Photonics Views - 2021 - Moglia - New challenges for the laser micromachining community
