摘自 江蘇激光產業技術創新戰略聯盟

江蘇激光聯盟導讀：

據悉，在2021年的EPIC大會上，關于激光供應鏈如何支持新的前沿領域的討論非常活躍。基于激光的表面功能化仍然是一個熱門話題，在玻璃中的激光微鉆孔已經實現了非常高的吞吐量。我們在此報告最終用戶、服務和機器供應商的愿望清單，包括與他們合作的有趣機會。

圖1激光微加工在鑄造行業的不同應用。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構產生的全息效果（b）。（c）中的面板顯示了表面結構示例的微觀視圖。

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）。從歐洲光電子產業聯盟（EPIC）框架內的經驗來看，整個供應鏈對激光微加工的新發展和應用的興趣是巨大的。

造幣業給激光制造和集成領域的專家帶來了各種應用和技術挑戰。加拿大皇家造幣廠（RCM）是這一行業的知名代表，經營加拿大和外國硬幣以及錢幣收藏硬幣和獎章的制造。他們已經應用激光技術好幾年了，尤其是在四個主要產品類別中。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，以影響其光學特性，從而產生純黑色（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用在硬幣上，例如直接將2D/3D全息效果轉移到金幣或銀幣上（見圖1b）。

這些光學特征是通過使用激光微加工在硬幣或模具表面創建微或納米結構來實現的（見圖1c）。第四個應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，結合獨家數字加密技術，在硬幣上生成特殊的獨特安全特性。RCM已經認識到激光技術的潛力，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。

RCM的另一個愿望是在硬幣上實現特殊的高級表面特征。它們將在很大程度上受益于進一步的動態和動畫效果，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。反盜版也是一個應用領域，RCM認為激光微加工專家可以幫助加強現有措施，增加先進的安全功能。

造幣業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中越來越重要。

對于RCM而言，與視覺系統相結合的激光工藝已被證明總體上比采用傳統方法的制造工藝更有效，例如噴砂以達到結霜效果，這可能需要一些事先的人工掩蔽。因此，造幣業的要求是進一步提高表面質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需求的車間和服務提供商，通過充分的研究和測試，他們可以將獲得的經驗應用于不同類型的鋼材。使用集成USP激光器的五軸機器進行表面處理是他們的核心業務。他們的目標是實現模具內超越平面或3D形狀的工業化。它們的主要應用是微結構，例如用于照明行業，以實現光波導或自由形式光學器件的均勻光擴散或均勻光強度，從而產生不同的功能光效果。功能性紋理，如疏水性或自潤滑紋理，也是其服務組合的一部分。精細表面紋理的耐久性和敏感性仍然是整個供應鏈應致力于改進的挑戰。

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，殘余熱效應變得顯著，可能會降低加工和光學元件的質量，帶來特定的新挑戰。因此，必須根據激光應用和規格，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從奢侈品到醫療和電子行業的最新研發趨勢制造的，還包括鑄造行業所需的深黑色紋理（參見圖2中的示例）。

來自Fraunhofer IWS和工業界的專家最近成立了初創公司Fusion Bionic，將一種基于干涉的技術商業化，用于使用USP激光器進行高速表面功能化。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）

綠色波長通常比標準的1µm更適用于玻璃的表面處理。Hellas研究與技術基金會的FORTH公司專注于利用USP激光對玻璃進行激光納米紋理處理，以增強抗眩光、抗反射和防霧等性能。WOP）既是機器制造商，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的服務提供商。玻璃加工是他們的關鍵能力。他們的專有技術允許使用fs激光在玻璃晶片上進行超快（高達1200個孔/秒）鉆孔，然后對玻璃晶片進行化學蝕刻（見圖3）。他們還可以利用自己在激光塑料和光學聚合物切割和鉆孔方面的經驗提供支持，

能源部門也對玻璃加工感興趣，并擴展到其他更奇特的材料。通用原子公司（General Atomics）開發了精細微加工方面的專業技術，為美國的聚變研究項目提供支持。他們的任務包括在鈹殼上鉆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提供商中的領導者之一，涵蓋了廣泛的應用領域（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，如光學粘合劑。這在國防/航空航天/光電子應用以及OLED照明的復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鍵合。

近年來，由于各種激光基礎技術的需求日益增加，光束整形技術日益繁榮和多樣化。許多供應商，如Asphericon提供全面和非球面范圍的激光束處理元件，Suss MicroOptics為任何標準和挑戰性的光束形狀提供折射和衍射顯微光學，Cailabs多平面光轉換技術用于大功率應用的光整形專家，Optimax在非球面、柱面、棱鏡、球體和自由曲面方面的能力，以及Qiova憑借其創新的數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，以監控由快速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，因為它正在開發具有成本效益的多模態監測解決方案，帶來最前沿的基于有機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范圍內提供光譜儀和相機核心。整個系統將是物聯網原生系統，通過將硬件與云、大數據和深度學習相結合，實現基于人工智能的復雜模型的敏捷開發和協調，以提供生產線的全面監控、控制和優化。

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