如今，激光光源領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進，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，激光脈寬、峰值功率和衍射極限等各項指標也持續(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、高效率激光工作物質(zhì)開發(fā)，推動激光系統(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，同時另外一束中心光強為零的環(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到λ/6。

其次，飛秒激光雙光子聚合技術(shù)應(yīng)運而生。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波長時所采用的方法。目前，利用近場針尖效應(yīng)可達約λ/50的加工精度。

圖3.利用近場針尖效應(yīng)可達約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)達到材料的熔點時將發(fā)生熔融現(xiàn)象；繼續(xù)加熱材料表面溫度達到汽化溫度時，表面將發(fā)生汽化現(xiàn)象。然而，由于激光加工遠離平衡態(tài)，迄今仍未有一個清晰明確的理論能夠把激光與材料的相互作用機制解釋得非常通透。

隨后，又涌現(xiàn)了超強激光、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，基于強場量子電動力學(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)激光強度超過10²⁴W/cm²時，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理與加工技術(shù)（微納減材）等。

第二個制造革新是能量與光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展推動高效定制化制造。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，因為晶粒的尺度決定了其核心性能。具體來說包括如下問題：晶粒的高度細化、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)；細胞的可控生長等。總之，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。最終目標是達成激光與材料作用過程的可調(diào)可控，實現(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制；多激光束間頻率、波長匹配及耦合機制；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)演變機制；激光與多工藝耦合機制及熱裂行為和熱-力-流耦合作用下組織演化機理與預(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歷經(jīng)了從無到有、從有到好、從好到飛躍的階段，推動激光制造技術(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，浙工大團隊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。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，多核等離子體沖擊波增強了作用在納米顆粒上的水平滾動力，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，激光沖擊波清洗避免了直接的機械、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驗研究，發(fā)現(xiàn)顆粒誘導(dǎo)光場增強效應(yīng)促進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近場光學(xué)效應(yīng)是基體表面納米損傷的內(nèi)在機理。

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，促進氮擴散進程，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、隨動式，使得復(fù)雜構(gòu)件的大深度、大面積激光表面強化成為可能。在這一領(lǐng)域，浙工大團隊在光學(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)計激光頭與光學(xué)聚集系統(tǒng)，集成專用成套裝備，旨在實現(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：突破強化層深度極限，突破組織調(diào)控極限，以及實現(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），最終目標是通過固態(tài)相變實現(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，浙工大團隊創(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行加熱，結(jié)合超音速沉積過程，在基體表面實現(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，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)域的目標是實現(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)流動和成分元素等進行控制，實現(xiàn)對形貌、缺陷、組織等的調(diào)控，以達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以及傳熱的影響機制。

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。仿真計算及實驗結(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，可實現(xiàn)增強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，實現(xiàn)均勻減材；同時，電化學(xué)耦合激光對材料表面帶來晶粒細化的效果，表面粗糙度相較于電化學(xué)拋光明顯下降。未來，還需進一步探索電解液流場、電場與激光光子的耦合機制及增減材新效應(yīng)等問題。

在超聲振動復(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，實現(xiàn)了超聲振動的高效引入。

研究表明，在施加超聲振動后，激光熔覆層晶粒高度細化且可形成等軸晶，同時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、平均抗拉強度、平均屈服強度及耐腐蝕性能均有所提升。未來，還需進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)控機理、太空高真空環(huán)境下的多材料多尺度結(jié)構(gòu)逐點/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)、核裝備強輻射環(huán)境下的形狀精度與性能指標沖突的破解機制及方法等。

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)展機遇。例如在船舶與海洋工程領(lǐng)域，高能量密度激光實現(xiàn)超厚船板（>50mm）精細聚焦切割，突破了傳統(tǒng)切割加工極限，實現(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，實現(xiàn)中國芯片從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變。

同時，業(yè)界需要進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)。

還有一點不可忽視的是，高端激光制造裝備作為工業(yè)母機的典型代表，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，實現(xiàn)對發(fā)達國家先進水平的彎道超車。

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。