在激光精密制造领域，提升工艺生产效率是研究和工业界关注的焦点，这有助于激光技术在新应用和市场中落地。这也是弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）的战略重点。
超短脉冲激光烧蚀加工通常采用单个小光斑扫描整个表面，导致大尺寸区域处理极为耗时。当前的生产率瓶颈主要源于这种逐点扫描的加工方式。针对这一生产率瓶颈，弗劳恩霍夫ILT正在推进一系列计划：
第一，评估现有系统技术： 测试和评估能够提供高功率激光束源的现有系统技术，这些光源或具有高重复频率以实现快速光束偏转，或具有高脉冲能量。这包括测试用于多光束加工的光学头或高速扫描镜在高功率下保持工艺质量的能力。
第二，开发精密工艺策略与定制系统技术： 需要复杂的工艺策略和相应的定制化系统技术来操控激光束。这确保了高平均功率能够有效地作用于工件，而不会产生热积累、（热）焦点漂移或屏蔽效应等负面影响。
第三，探索全新加工理念：开发诸如"光学冲压"之类的新概念，这些技术有潜力显著提高生产效率，并充分利用现有的高平均功率。
“光学冲压”是弗劳恩霍夫ILT开发的全新技术路径，该技术需要极高的脉冲能量，但带来了无与伦比的生产效率。
其核心原理是使用空间光调制器或衍射光学元件，将超短脉冲激光束精确塑形成所需图案，通过单次脉冲将其施加到工件表面。
与亚琛工业大学光学系统技术研究所的合作中，研究人员利用光学神经网络为空间光调制器开发相位掩模。这种方法可以快速、精确地创建几乎任何所需光斑分布的相位掩模。得益于成熟的人工智能训练方法，光学神经网络为光束整形提供了前所未有的灵活性。
与永久安装的束形光学元件不同，这种方法可以通过软件灵活调整图案，而无需进行机械改动。图案的尺寸和几何形状可以变化、扩展或完全替换。脉冲持续时间在皮秒和飞秒范围的超短脉冲激光器（USP）能够以高精度去除材料，同时最大限度地减少热影响。这项创新使工业界能够生成具有精确可重复几何形状的确定性微结构，显著减少加工时间，并使结构适应特定部件或后续工艺的个性化要求。
实现这一技术突破的关键工具是通快公司的TruMicro 9000——一款专为工业应用设计的1 kW超短脉冲激光系统。
这款激光器具有多项卓越特性：小于900 fs的脉冲持续时间、10 mJ的脉冲能量、多种脉冲串选项、M²<1.3的极高光束质量，以及不同工作点下的高灵活性。
这是首次有千瓦级光束源能够像成熟的200 W级工业USP激光器一样稳定工作，为众多工业应用带来了期待已久的超短脉冲材料加工效率飞跃。
利用通快的这款新型光束源，该团队正在详细研究如何在材料加工中有效利用千瓦级功率，以及高功率水平对工艺质量、工件和所涉及光学元件的影响。
10 mJ的脉冲能量需要高质量、精密设计的光学元件。同时，还需要解决一些实际问题，例如传入部件的热量、以及由于材料烧蚀率增加可能导致的污染。此外，还需要研究高烧蚀率和高重复率在何种程度上会导致在某些点位产生不希望的激光束屏蔽，或者在多光束加工过程中，被烧蚀的材料与周围的分光束是否存在相互作用的风险。
其他方面涉及工艺腔内光学元件的使用寿命和污染问题，以及辐射防护。最后同样重要的是，还需要探讨1 kW功率是否足够，或者是否需要更强大的激光器来充分挖掘这些工艺的工业潜力。
据通快公司称，TruMicro 9000的模块化架构使之成为可能，因为它不仅允许提高平均功率，还可以进行波长转换或脉冲持续时间调整。
弗劳恩霍夫ILT的微纳结构团队专注于工艺控制策略和系统设计，以最优方式利用高平均功率加工工件。研究所实验室为此提供了多个测试平台，使研究人员能够将光束源的高功率和能量输入引导到部件表面，实现高效且温和的加工。
在 USP 加工工艺中实现高平均功率的系统工程方法（图片来源：Fraunhofer ILT，德国亚琛）
该团队正在研究四种系统技术方案（如上图示意）。最简单的方法是脉冲串模式，这可以通过传统的振镜扫描器实现。此外，他们还采用特殊的系统技术和光学策略进行光束整形、超快光束偏转和加工过程的并行化。研究这些不同的方案是为了确定哪种策略能在特定的工业应用中实现最高的生产率。
钢板的目标微结构
在平板钢材生产中，传统压花辊表面多采用电火花加工进行随机微结构处理。这种方式压印的结构虽能改善可弯曲性或涂层附着力等性能，但并非针对特定后续工艺定制。
在欧盟项目METAMORPHA中，弗劳恩霍夫ILT与蒂森克虏伯欧洲钢铁等合作伙伴成功将工艺时间缩短了81%，展示了激光工艺直接转化为工业实践的潜力。
用于信号传输的快速结构加工
低辐射玻璃的超薄金属层能反射热辐射，保护建筑或车辆内部免受升温，但也会阻挡手机信号。为确保信号接收，必须部分去除这层金属——这对传统扫描单光束超短脉冲激光器来说是一个耗时的过程。
光学冲压技术可在单次脉冲中于涂层上制造出精确开口，而不使玻璃承受热应力。测试中，使用空间光调制器将光束整形为直径450 μm的圆形图案，以 9m/s的进给速度加工，200 μJ的脉冲能量和20kHz的重复频率进行施加（"飞行中的单脉冲烧蚀"），结果产生了清晰、轮廓分明的结构。
与传统的3 m/s扫描速度、600 kHz重复频率和每脉冲4 μJ能量的工艺相比，处理速度和面积率提高了惊人的30倍。
光学冲压的潜力远不止于钢铁、金属加工或玻璃行业。原则上，任何需要周期性微结构的应用都可以从中受益。
疏水表面是一个典型例子，确定的微浮雕可以特异性增大水的接触角。这种结构有助于燃料电池有效排出冷凝水，从而提高性能。
另一个应用领域是部件的直接标记，如数据矩阵码。光学冲压可在毫米尺度上通过单一工艺步骤生成代码——这对医疗技术或制药行业等对可追溯性要求高的领域特别有利。这为全新的市场开辟了新的可能性。
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