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超短脉冲激光器征服宏观处理

2019年4月10日至11日在德国亚琛举行的UKP研讨会有来自14个国家的170多名与会者参与,他们齐聚一堂讨论工业应用超短脉冲(USP)激光技术发展的最新趋势。工业激光解决方案(Industrial Laser Solutions)编辑顾问Ron Schaeffer代表ILS主持了这次会议。

“USP激光器已经进入了这个行业。下一个目标是为激光器提供能量,就像目前用于宏观元件材料加工的二氧化碳和光纤激光器一样。弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT;也位于亚琛)消融与连接能力领域负责人Arnold Gillner博士对参与者表示:“挑战在于如何将光子带到工件上。”

Gillner博士向与会者解释说,“挑战在于将光子带到工件上。”(版权所有:Fraunhofer ILT,德国亚琛)

 

人们对现在已经上市的高达100 W激光束源达成了共识,且数百瓦的系统已可供使用,并已集成到第一台机器中。即将加入的是多千瓦范围的USP激光器,例如由弗劳恩霍夫应用光学和精密力学研究所(Fraunhofer IOF;德国杰娜)和Fraunhofer ILT在先进光子源弗劳恩霍夫卓越群中开发的激光器。这两个研究所在最近几个月都创造了新的世界纪录:Fraunhofer IOF集团演示了来自光纤激光器系统的3.5 kW平均输出功率,而Fraunhofer ILT集团演示了脉冲持续时间仅为30秒的500 W功率,它来自一个Yb:Innoslab激光器。

总共有12个研究所在先进的光子源群中工作。总之,他们希望在杰娜和亚琛的两个应用实验室中为各种应用提供新开发的光束源以及相应的系统技术。

激光器开发者Eric Mottay(Amplitude Systèmes)强调,只有在不同的技术载体密切合作的情况下,才能开发出新激光器的系统技术。这在以下关于快速扫描仪、多光束系统和特殊光学的讲座中讲得很明确:激光器制造商、扫描仪专家和用户共同致力于多光束概念的研究,在多光束概念中,一个能量丰富的激光脉冲被分割成多个单独的激光束,并平行于表面进行引导,以有效地处理更大的区域。

具体来说,Stephan Brüning(德国弗雷登)测试了印刷辊结构的多光束概念。以前,四个激光器是平行使用的,现在,通过衍射光学元件,USP激光器的500 W平均功率分布在16个激光束部分。通过声光调制器,可以独立控制光束部分,从而显著提高生产率。

RWTH亚琛工业大学的Oskar Hofmann解释了多达196个类似光束部分的光学设计。发展这些光学概念的挑战在于不同像差的补偿和校正。

大众(Volkswagen,德国沃尔夫斯堡)的Benedikt Nohn演示了如何通过单独光束实现效率的提高。他的例子是用于浮雕室内设计元素的工具结构。优化的扫描仪技术使吞吐量增加了一倍以上。

“激光器使数字光子产生的连续过程链成为可能”,这是Fraunhofer ILT即将卸任的董事Reinhart Poprawe的观点。来自Fraunhofer ILT的Markus Niessen讨论了通常的方法,以及如何用一个简化的模型显著地缩短计算时间。微观相互作用过程和物质效应与宏观效应是分开考虑的。从长远来看,Niessen有一个明确的战略:“我们的目标是第一次生产就是正确的。”

硬质合金钻头可以用简单的毛坯全自动生产;机器接收毛坯和几何数据,激光参数可自动选择。(版权所有:Claus Dold博士,EWAG AG,2018)

 

USP激光技术的进步现在可以看到应用的质量。在研讨会上,EWAG(瑞士埃齐肯)的制造超硬材料工具的专家Claus Dold解释了USP激光器如何处理多晶金刚石或硬质合金材料。他提出了一个完整的制造系统,操作员只需输入几何数据和插入毛坯就可以生产硬质合金钻头。激光机本身选择了必要的设置,并以微米精度生产钻头。这些机器可以完全自动化并在全球网络中运行。在数字市场中,生产能力可以在全球范围内得到控制,并适应需求。

图中给出了金属箔USP结构数字化过程的多尺度模拟。(版权所有:Fraunhofer ILT,德国亚琛)

 

现在,多千瓦范围的激光源已经上市,USP技术的主要优势——极高的加工精度——将实现其更广泛的应用。高效的工艺技术和对工艺的良好理解是工业应用的先决条件。从极紫外辐射的产生到量子技术的新应用正在兴起。一个新的挑战是必须有对X射线的防护。

有关详细信息,请访问www.ultrakurzpulslaser.de

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