如今，激光光源領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進(jìn)，無論從波長范圍、頻率范圍、加工材料范圍以及起到的作用等多個(gè)方面都經(jīng)歷著飛速的發(fā)展與革新。新光源正催生出更多新工藝、新技術(shù)和新應(yīng)用。

此外，激光能量也在不斷突破中，從30年前的幾百瓦、上千瓦發(fā)展到如今的吉瓦以上，并實(shí)現(xiàn)了毫米 - 微米 - 納米的跨尺度加工。不同的激光能量密度適用于特定的激光加工工藝，包括：激光光刻、激光微納加工、激光轉(zhuǎn)印、激光彎曲成形、激光固態(tài)相變、激光熔覆、激光清洗、激光切割、超快激光加工等。同時(shí)，激光脈寬、峰值功率和衍射極限等各項(xiàng)指標(biāo)也持續(xù)迎來了突破。

圖1. 不同的激光加工工藝

在激光系統(tǒng)發(fā)展領(lǐng)域，前沿聚焦點(diǎn)是針對不同激光器工作物質(zhì)，開展低成本、高效率、高穩(wěn)定性與極端波長的激光器研發(fā)，以及基于高性能、高集成諧振腔設(shè)計(jì)、高效率激光工作物質(zhì)開發(fā)，推動(dòng)激光系統(tǒng)的小型化、輕量化發(fā)展趨勢。

圖2. 小型化、輕量化激光器

當(dāng)前，激光制造行業(yè)作為高新科技產(chǎn)業(yè)正不斷釋放出更多的發(fā)展動(dòng)能和活力，行業(yè)內(nèi)持續(xù)涌現(xiàn)一批原始創(chuàng)新技術(shù)，創(chuàng)造了一批變革性新產(chǎn)品，催生了系列高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群，支撐創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略。從激光產(chǎn)業(yè)的角度看，其對制造業(yè)帶來的革新主要體現(xiàn)在以下三方面：激光光源變革催生極限制造；激光系統(tǒng)發(fā)展服務(wù)于高效定制化制造；復(fù)合能量耦合服務(wù)于精密調(diào)控制造。

首先，衍射極限突破催生納米制造。1873年，德國科學(xué)家Ernst Abbe發(fā)現(xiàn)了光的衍射極限。1994年，由德國科學(xué)家斯蒂芬·赫爾提出的受激發(fā)射損耗技術(shù)（STED）采用兩束激光，一束激發(fā)顯微鏡物鏡下的熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光，同時(shí)另外一束中心光強(qiáng)為零的環(huán)形損耗激光將上述激光束最中心以外的所有分子熒光熄滅。這兩束光的中心重合在一起，使得發(fā)出熒光的區(qū)域極小，加工精度可以突破衍射極限達(dá)到λ/6。

其次，飛秒激光雙光子聚合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。作為一種具有納米精度的三維加工方式，它被廣泛應(yīng)用于制造各種功能微結(jié)構(gòu)。利用激光與物質(zhì)相互作用的雙光子非線性吸收效應(yīng)和閾值效應(yīng)，可以突破經(jīng)典光學(xué)理論衍射極限，實(shí)現(xiàn)納米尺度的加工分辨率。1997年，飛秒雙光子聚合技術(shù)首次被用在三維制造上，可實(shí)現(xiàn)λ/10的制造精度。

第三則是近場方法，這是當(dāng)成像或加工對象與聚焦光學(xué)元件的距離小于一個(gè)波長時(shí)所采用的方法。目前，利用近場針尖效應(yīng)可達(dá)約λ/50的加工精度。

圖3.利用近場針尖效應(yīng)可達(dá)約λ/50的加工精度

在這一領(lǐng)域，面臨的科學(xué)問題是要持續(xù)探索和突破激光物質(zhì)相互作用和新機(jī)制誘導(dǎo)下的制造革新。多年來，針對激光與材料之間的相互作用開展了許多研究工作。通過激光加熱材料表面使其溫度升高，當(dāng)達(dá)到材料的熔點(diǎn)時(shí)將發(fā)生熔融現(xiàn)象；繼續(xù)加熱材料表面溫度達(dá)到汽化溫度時(shí)，表面將發(fā)生汽化現(xiàn)象。然而，由于激光加工遠(yuǎn)離平衡態(tài)，迄今仍未有一個(gè)清晰明確的理論能夠把激光與材料的相互作用機(jī)制解釋得非常通透。

隨后，又涌現(xiàn)了超強(qiáng)激光、超快激光、波長可調(diào)等新技術(shù)，帶來新的科學(xué)問題。例如，超強(qiáng)激光領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了激光-固體相互作用新現(xiàn)象，基于強(qiáng)場量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，激光-固體相互作用可以有效地產(chǎn)生稠密的正電子。當(dāng)激光強(qiáng)度超過10²⁴W/cm²時(shí)，可以獲得>30%的極化度。又如，針對波長可調(diào)性，激光-分子相互作用新現(xiàn)象則是通過選擇合適的激光波長，將高質(zhì)量的激光光子能量通過共振選定分子基團(tuán)的特定模式，定向耦合于選定分子的化學(xué)鍵中，從而有效實(shí)現(xiàn)在分子量級的化學(xué)反應(yīng)控制。

未來，該領(lǐng)域要不斷攻克更多原創(chuàng)性、前瞻性與前沿性的技術(shù)問題：原位力-電-光耦合下微納器件制造技術(shù)（仿生、傳感）；激光新材料的合成與制備技術(shù)（激光造物）；柔性異質(zhì)材料分子間界面特性規(guī)律與制造技術(shù)（異種材料連接）；納米面形精度制造中的材料可控去除機(jī)理與加工技術(shù)（微納減材）等。

第二個(gè)制造革新是能量與光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展推動(dòng)高效定制化制造。包括大能量振鏡、可調(diào)光斑、能量分布可調(diào)、多光束陣列掃描等產(chǎn)品和技術(shù)領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)展，也一并為高水平的智能制造創(chuàng)造了更多的空間。

然而，該領(lǐng)域仍面臨不少亟需解決的科學(xué)問題，尤其需要關(guān)注的是研究大能量場、可變能量場，以及可調(diào)節(jié)能量場的作用下，晶粒層面的變化及其可控性，因?yàn)榫Я５某叨葲Q定了其核心性能。具體來說包括如下問題：晶粒的高度細(xì)化、晶粒的可控生長、晶粒的可控分布；材料成分、應(yīng)力的可控復(fù)合；表面跨尺度結(jié)構(gòu)；細(xì)胞的可控生長等?？傊?，基礎(chǔ)研究中應(yīng)深入宏-微-納跨尺度及物理/化學(xué)/生物效應(yīng)等交叉領(lǐng)域的研究。

以上這些科學(xué)問題繼而引申出相應(yīng)的技術(shù)問題：激光性能定制技術(shù)、結(jié)構(gòu)功能一體化技術(shù)、多光束制造與增材制造協(xié)同技術(shù)，以及大光斑與高速掃描技術(shù)等。

這些技術(shù)問題催生出了一系列新應(yīng)用需求。例如，新能源領(lǐng)域的低碳激光處理、精密焊接/切割、激光轉(zhuǎn)印、激光制絨等應(yīng)用；半導(dǎo)體領(lǐng)域的激光退火、激光摻雜、激光隱切、激光清洗等應(yīng)用；生命健康領(lǐng)域的人體組織精確燒蝕、雙光子聚合微針、組織增材制造等應(yīng)用。誠然，新的行業(yè)需求，反過來又催生了對新光源的需求。

在復(fù)合能場耦合支撐精密調(diào)控制造方面，首先，要關(guān)注光束與其他能場之間的復(fù)合制造技術(shù)，包括激光+超音速復(fù)合制造、激光+電磁場復(fù)合制造、激光+超聲能場復(fù)合制造、激光+電化學(xué)復(fù)合制造等，旨在突破單一能場調(diào)控極限。其次，要探索激光加工與其他工藝之間的復(fù)合制造技術(shù)，包括多光束復(fù)合激光焊接、激光增/等/減復(fù)合制造、激光+清洗復(fù)合制造、激光+拋光復(fù)合制造等，旨在持續(xù)突破非接觸光加工的局限。最終目標(biāo)是達(dá)成激光與材料作用過程的可調(diào)可控，實(shí)現(xiàn)多能場、多工藝復(fù)合的“1+1>2”的效果。

由此衍生的部分科學(xué)問題也不容忽視，如多激光束加熱與材料的作用機(jī)制；多激光束間頻率、波長匹配及耦合機(jī)制；多物理場下非均勻體復(fù)雜流變行為與表征；多能場下液態(tài)金屬凝固過程微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)制；激光與多工藝耦合機(jī)制及熱裂行為和熱-力-流耦合作用下組織演化機(jī)理與預(yù)測等。

近年來，浙江工業(yè)大學(xué)在激光表面改性技術(shù)領(lǐng)域開展了大量的研發(fā)工作并持續(xù)取得了突破和創(chuàng)新。激光表面改性作為新一代綠色制造技術(shù)之一，面向我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重大需求，直接服務(wù)于重大裝備高端部件的性能提升與國產(chǎn)化制造，成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要支撐。

圖5. 激光表面改性是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要支撐

激光強(qiáng)化、激光熔覆等表面改性技術(shù)在幾十年的發(fā)展中經(jīng)歷了不斷的迭代更新，從光源到改性理論、工藝和控制等方面都?xì)v經(jīng)了從無到有、從有到好、從好到飛躍的階段，推動(dòng)激光制造技術(shù)的高質(zhì)高效發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并逐步邁向更高水平的復(fù)合化、定制化、集成化、智能化發(fā)展。

在激光誘導(dǎo)空氣等離子體沖擊波清洗技術(shù)方面，浙工大團(tuán)隊(duì)采用雙光束激光誘導(dǎo)空氣等離子體沖擊波清洗工藝去除硅晶圓表面的納米顆粒。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，多核等離子體沖擊波增強(qiáng)了作用在納米顆粒上的水平滾動(dòng)力，與傳統(tǒng)清洗工藝相比，該工藝中的未清洗盲區(qū)面積減少了95%。同時(shí)，激光沖擊波清洗避免了直接的機(jī)械、液體和光接觸，是納米顆粒無損去除的有效方法。

圖6.硅晶圓表面雙光束清洗效果

通過激光輻照清洗硅晶圓表面的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)顆粒誘導(dǎo)光場增強(qiáng)效應(yīng)促進(jìn)了基體與顆粒間的熱膨脹差異，有利于納米顆粒的去除；理論數(shù)值模擬揭示顆粒增強(qiáng)近場光學(xué)效應(yīng)是基體表面納米損傷的內(nèi)在機(jī)理。

圖7. 激光輻照清洗裝備與原理示意圖

該領(lǐng)域開展的一系列研究工作表明，將激光能量選擇性定向耦合于選定分子的化學(xué)鍵中，有效地促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)中的分子化學(xué)鍵斷裂，從而提高材料制備中關(guān)鍵基團(tuán)的活性，助力材料形核、生長、結(jié)晶等過程。如將激光能量通過共振激發(fā)的方式定向耦合于氨氣分子中，能夠提高其解離效率和活性氮原子的生成，促進(jìn)氮擴(kuò)散進(jìn)程，提高滲氮效率和滲氮質(zhì)量。

如今，新光源（如多脈沖、可調(diào)制等）也催生出新型的激光拋光技術(shù)，可逐步替代手工、機(jī)器人等傳統(tǒng)拋光方式。其中，激光冷拋光的原理是，材料吸收光子后，使表層材料的化學(xué)鍵被打斷或晶格結(jié)構(gòu)被破壞，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。激光熱拋光則利用激光的熱效應(yīng)，通過熔化、蒸發(fā)等過程去除材料。

圖8. 脈沖激光拋光效果對比

隨著激光器和光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出萬瓦級激光器及大幅面光斑，光斑從固定式發(fā)展到可變式、隨動(dòng)式，使得復(fù)雜構(gòu)件的大深度、大面積激光表面強(qiáng)化成為可能。在這一領(lǐng)域，浙工大團(tuán)隊(duì)在光學(xué)系統(tǒng)、材料、工藝三方面聯(lián)合攻關(guān)，針對制造需求設(shè)計(jì)激光頭與光學(xué)聚集系統(tǒng)，集成專用成套裝備，旨在實(shí)現(xiàn)高效定制化激光固態(tài)相變。

高效定制化激光固態(tài)相變的技術(shù)需求包括重載、交變載荷、長壽命，以及兼具強(qiáng)韌性等。但現(xiàn)有技術(shù)的局限性體現(xiàn)在激光淬火深度有限（2mm以內(nèi)）、馬氏體相變組織單一、表面硬而脆。因此，亟需開發(fā)多熱源激光復(fù)合固態(tài)相變工藝，其中的關(guān)鍵問題包括：突破強(qiáng)化層深度極限，突破組織調(diào)控極限，以及實(shí)現(xiàn)大面積替代（感應(yīng)淬火，化學(xué)熱處理，爐內(nèi)加熱等傳統(tǒng)高能耗熱處理手段），最終目標(biāo)是通過固態(tài)相變實(shí)現(xiàn)組織與性能的精密調(diào)控。

在多能場激光復(fù)合制造領(lǐng)域，浙工大團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了超音速激光沉積技術(shù)、電磁場復(fù)合激光修復(fù)技術(shù)、電化學(xué)復(fù)合激光沉積技術(shù)、超聲場復(fù)合激光修復(fù)技術(shù)四大能場復(fù)合激光制造技術(shù)。

超音速激光沉積技術(shù)將激光技術(shù)與超音速沉積技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，激光束對經(jīng)由拉瓦爾噴嘴噴出的高速粉末和基體進(jìn)行加熱，結(jié)合超音速沉積過程，在基體表面實(shí)現(xiàn)高效沉積，具有沉積效率高、溫度低、成本低、性能高等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具潛力的新型金屬增材制造技術(shù)。建立了顆粒和基體作用模型，揭示了動(dòng)能場與激光同步耦合對材料彈塑性及撞擊變形行為的影響，實(shí)現(xiàn)了高致密度的涂層制備。

圖9. 超音速激光沉積層微鍛態(tài)組織

利用超音速激光沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)Fe基、Co基、Ni基、Ti基等合金及其復(fù)合材料的沉積和增材制造，材料沉積效率為單一激光熔覆效率的10倍以上，沉積層熱影響區(qū)≤9 μm，沉積層呈現(xiàn)微鍛態(tài)組織，物相和微觀組織與原始粉末材料保持一致，表現(xiàn)出優(yōu)異的表面性能。今后，該領(lǐng)域的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在高端裝備核心部件增材制造及再制造方面的廣泛應(yīng)用。

電磁場復(fù)合激光修復(fù)技術(shù)利用電磁場與激光熔池流體相互耦合，對內(nèi)部的液態(tài)流動(dòng)和成分元素等進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對形貌、缺陷、組織等的調(diào)控，以達(dá)到大幅改善零部件性能的目的。建立了考慮穩(wěn)態(tài)電磁場、缺陷、形貌變化的多物理場數(shù)值模型，揭示了電磁場對熔池流動(dòng)以及傳熱的影響機(jī)制。

在氣孔調(diào)控方面，該工藝可以高效排出熔覆過程中由于空心粉、外界氣體引入和材料內(nèi)部反應(yīng)析出的各類氣孔。仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，利用定向洛倫茲力的輔助，無需調(diào)整激光熔覆工藝參數(shù)，即可有效調(diào)節(jié)熔覆層內(nèi)的氣孔分布，在鑄鐵基體上熔覆空心粉仍能獲得近100%的致密度。

圖10. 氣泡在不同位置及不同洛倫茲力作用下的軌跡 (a)前部（b）中部 （c）后部

在顆粒調(diào)控方面，電磁場作用下熔注層的顆粒分布密度提高3倍，可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)顆粒分布梯度正反向靈活調(diào)控，獲得功能梯度涂層，提高后續(xù)加工性能。

激光復(fù)合微弧氧化表面強(qiáng)化是一種將激光加工與電化學(xué)加工有效結(jié)合的復(fù)合加工技術(shù)，利用激光的熱力沖擊效應(yīng)可以有效提高氧化效率，改善加工質(zhì)量。相比于單一微弧氧化，采用激光復(fù)合微弧氧化技術(shù)后，涂層厚度增加40%，氧化后期的生長速率提高2倍，有益元素含量顯著提高，從而使復(fù)合涂層展現(xiàn)出更好的耐磨、耐蝕性能。射流式激光同步復(fù)合微弧氧化作用下涂層厚度與耐蝕性能得到顯著提高，同時(shí)加工電壓明顯下降。

圖11. 激光復(fù)合微弧氧化技術(shù)原理示意圖

減材制造方面，采用電化學(xué)復(fù)合激光拋光技術(shù)，能夠提升電解拋光的效果，實(shí)現(xiàn)均勻減材；同時(shí)，電化學(xué)耦合激光對材料表面帶來晶粒細(xì)化的效果，表面粗糙度相較于電化學(xué)拋光明顯下降。未來，還需進(jìn)一步探索電解液流場、電場與激光光子的耦合機(jī)制及增減材新效應(yīng)等問題。

在超聲振動(dòng)復(fù)合激光修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，浙工大創(chuàng)新性地提出了絲導(dǎo)超聲復(fù)合激光制造新方法，實(shí)現(xiàn)了超聲振動(dòng)的高效引入。

研究表明，在施加超聲振動(dòng)后，激光熔覆層晶粒高度細(xì)化且可形成等軸晶，同時(shí)微裂紋及氣孔缺陷顯著抑制，硬度、耐磨性和抗氧化性等性能均得到改善。隨著超聲功率的增加，熔覆層的晶粒平均尺寸明顯下降，同時(shí)晶體擇優(yōu)取向性降低。

圖12. 超聲場復(fù)合激光修復(fù)微觀組織形貌對比圖（a-b，無超聲；c-d，超聲）

此外，該方法可實(shí)現(xiàn)修復(fù)區(qū)綜合性能的提升。在激光熔覆修復(fù)中，超聲作用下熔覆層常溫和高溫硬度、平均抗拉強(qiáng)度、平均屈服強(qiáng)度及耐腐蝕性能均有所提升。未來，還需進(jìn)一步探索超聲場對晶粒生長的約束作用以及微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)制。

針對新光源下的激光與材料相互作用亟需開展研究，例如：新光源下材料電子級單元遷移及其能帶結(jié)構(gòu)改善方法、超快激光亞飛秒-亞納米制造與表征、飛秒激光光束整形與大面積表面周期性結(jié)構(gòu)快速制備等。

其次是極端環(huán)境下激光制造材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化協(xié)同調(diào)控，例如：深海腐蝕環(huán)境下的高性能復(fù)雜構(gòu)件制造技術(shù)及材料-結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控機(jī)理、太空高真空環(huán)境下的多材料多尺度結(jié)構(gòu)逐點(diǎn)/線/面/體控制的激光制造方法、高低溫交變環(huán)境下的材料組織演化與結(jié)構(gòu)變形的精確調(diào)控技術(shù)、核裝備強(qiáng)輻射環(huán)境下的形狀精度與性能指標(biāo)沖突的破解機(jī)制及方法等。

新光源和新技術(shù)的推陳出新也為“光”制造在更多新興產(chǎn)業(yè)中的大放異彩創(chuàng)造了廣闊的發(fā)展機(jī)遇。例如在船舶與海洋工程領(lǐng)域，高能量密度激光實(shí)現(xiàn)超厚船板（>50mm）精細(xì)聚焦切割，突破了傳統(tǒng)切割加工極限，實(shí)現(xiàn)高精度、低損耗的快速加工。又如，在新能源電池領(lǐng)域，新光源有望改變新能源電池納米應(yīng)變和晶格位移，改善電池電壓衰減問題，提升電池續(xù)航能力。此外，在民用航空領(lǐng)域，新光學(xué)系統(tǒng)促進(jìn)航空多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化和輕量化的定制化增材制造，減少零部件數(shù)量并降低裝配接觸失效；在國產(chǎn)化芯片領(lǐng)域，新光源助力芯片國產(chǎn)化納米刻蝕精密調(diào)控，有望解決芯片器件“卡脖子”問題，實(shí)現(xiàn)中國芯片從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變。

同時(shí)，業(yè)界需要進(jìn)一步探索和研究由新光源衍生的諸多變革性制造技術(shù)，如超快激光加工、基于激光的高分辨率 3D 打印、激光剝離、全息光刻、激光微納加工等前沿制造技術(shù)。

還有一點(diǎn)不可忽視的是，高端激光制造裝備作為工業(yè)母機(jī)的典型代表，近年來正快速崛起。而未來需在該領(lǐng)域持續(xù)加大研發(fā)力度，無論是激光制造裝備的關(guān)鍵部件、核心單元等，致力于開發(fā)出更多低成本、高效、靈活加工的“光智造”裝備，實(shí)現(xiàn)對發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平的彎道超車。

最后，要關(guān)注多學(xué)科交叉融合下的校企協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展，全面提升科技創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)激光相關(guān)學(xué)科與產(chǎn)業(yè)的全鏈條協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展。