近年来，超短脉冲（USP）激光器的应用正变得越来越广泛。在皮秒或飞秒范围内，脉冲激光甚至可以烧蚀最坚硬的材料，并且可以达到微米级的精度。

目前，市面上超短脉冲激光器的平均输出功率已经达到了几百瓦，而且最新的研究和开发重点已经走到了如何使之更好地应用落地。多年来，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）一直在研究这个问题。

通过调整光束轮廓和多光束方法，USP激光器的功率可以得到高效利用（图片来源：Fraunhofer ILT）

打造快速、准确、灵活的光束整形技术

除了各种超短脉冲激光器，Fraunhofer ILT的团队还拥有最新的高性能液晶调制器，用于激光材料加工中的光束整形。使用液晶调制器，研究人员能够以高时间分辨率自由编程激光器的光束轮廓，但也可以分割成相同的副本。

这些调制器可以耐受高达150瓦的激光功率。在欧盟项目“变形（METAMORPHA）—用振幅和相位定制的激光束进行测量微加工”中，其中两个调制器被连接在一个光学模块中。该模块可以单独或作为一个多梁柱的形状，并与各种机器兼容，例如3轴机器／5轴机器，车床或化学机械抛光机（roll－to－roll）。

用机器学习实现零缺陷生产

据介绍，液晶调制器的一个主要优点是可以每秒实现60次以上的光束形状“变形”，这样以来，在一个封闭的控制回路中优化加工过程甚至改变过程就成为了可能。

当这种质量与内联过程监控和智能控制相结合时，零缺陷制造或将成为现实。为此，该过程通过智能控制系统进行持续监控和调节。随后它利用机器学习优化工艺参数和工艺策略，以生产出完全无缺陷的零件。经过相应的学习阶段后，还可以对工艺进行模拟，并预先确定最佳工艺参数。

该项目的主要目的是在生产中节约大量的能源和资源，这恰恰是该项目中的三个工业合作伙伴——铣刀片制造商Ceratizit、钢铁重工制造业巨头蒂森克虏伯和家电巨头飞利浦特别感兴趣的。他们所有的基于激光的制造方法将被纳入计划中，从而推动可持续的、经济型生产的巨大进步。

在项目研究执行过程中，一个包含所有细节的系统模块将与主要工业合作伙伴在三个应用程序中进行测试，其目标是实现与传统工艺相比至少30％的节能。

在蒂森克虏伯，激光将被用来构造压纹辊。目前这些都是通过放电加工来操作，每年需要消耗超过10 GWh的能量，而激光有望节省其中的90％。此外，在使用激光对磨损表面的精确重组之后，压印辊的寿命或将增加十倍。

Ceratizit则计划使用基于激光的工艺来制造硬质合金冲孔和压印模具，并修复磨损的工具。光子工艺链将使这一过程更快、更经济。

飞利浦希望通过使用通用型激光加工头，极大地简化消费领域产品的制造。

关于欧盟项目METAMORPHA

METAMORPHA项目合作伙伴希望汇集最新的激光技术、工艺知识和控制知识，以取代现有的湿化学蚀刻等工艺，从而大幅节约能源和资源。用激光材料加工的方法对工具进行再加工，也是朝着可持续利用资源、环境保护方向迈出的重要一步。该项目于2022年9月1日启动，由欧盟资助，为期四年。项目合作伙伴包括：德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（协调方）、亚琛工业大学、LASEA、巴仑西亚理工大学、Datapixel、fentISS、Arditec、Vivid Components、Ceratizit、蒂森克虏伯、飞利浦。