被宣稱為(wei) 第四次工業(ye) 革命的最有趣、但也最具挑戰性的方麵之一，是大規模個(ge) 性化需要靈活和可重新配置的生產(chan) 係統。實際上，這是工業(ye) 革命（所謂的工業(ye) 4.0）首次已經提前公布，但對普遍適用且靈活的生產(chan) 工具的需求是激光器的巨大機會(hui) 。

幾十年來，眾(zhong) 所周知，激光是一種非常靈活的材料加工工具，可用於(yu) 滿足各種製造應用，實際上涵蓋了德國工業(ye) 標準DIN 8580 定義(yi) 的所有製造工藝。DIN 8580 將工藝 分為(wei) 模塑、成型、分離、連接，塗覆和改變材料特性（見圖1）。在 1992 年的教科書(shu) 中，Helmut Hügel 就這樣說道 ：“激光在工業(ye) 製造中的重要性，在於(yu) 其在各種加工工藝方麵的非凡靈活性，包括切割、燒蝕、鑽孔、焊接、硬化、合金化、重熔，以及眾(zhong) 多材料和不同的工件配置。”

這就是我們(men) 已經習(xi) 慣於(yu) 將激光視為(wei) 通用生產(chan) 工具的原因。但到目前為(wei) 止，我們(men) 總是使用完全不同的激光來應對不同的應用。其主要原因是各種工藝的物理要求，特別是平均激光功率、強度、脈衝(chong) 持續時間，峰值強度或峰值能量密度，以及有時波長也都是完全不同的。第二個(ge) 原因是到目前為(wei) 止，超短脈衝(chong) 激光（USP 激光 ；也稱為(wei) 超快激光）的設置提供脈衝(chong) 持續時間在皮秒或飛秒範圍內(nei) 的脈衝(chong) ，與(yu) 自由運行的脈衝(chong) 或連續波（CW）激光顯著不同。與(yu) 此同時，這些不同激光器提供的平均功率相差幾個(ge) 數量級，因此使用 USP 激光進行微加工的效率，仍然遠遠低於(yu) 使用高功率CW激光器進行宏觀加工的效率。

擴展USP激光係統的功能

但所有這一切都將改變。由於(yu) USP激光器的平均輸出功率剛剛進入數千瓦級（見圖 2），這種類型激光器 的使用目前正在擴展到傳(chuan) 統的微加工實驗室之外，並且確實征服了大規模的製造應用。因此，我們(men) 將看到更多基於(yu) 激光的高精度超快材料加工在大型生產(chan) 機器上進行，初看起來與(yu) 我們(men) 用於(yu) 切割或焊接等的經典宏觀應用非常相似（見圖3）。因此，在同一台機器上執行所有已知激光材料加工應用的想法很自然。但這可以用同一台激光器實現嗎？

實際上，這個(ge) 問題並不新鮮。在1993年於(yu) 慕尼黑舉(ju) 的第11屆國際激光大會(hui) 上，Andreas Gebhardt 教授和他的同事們(men) 討論了特別是中小型企業(ye) 的期望，即所有不同的激光製造應用，應該使用同一個(ge) 激光設備，這種期望至今仍未實現。然而，觀察現代高功率 USP 激光器的模塊化結構，可以很容易地得出結論：應該可以設置能在不同工作模式之間切換的激光器，並且適用於(yu) 所有常見的材料加工應用。

提供高平均功率的超短脈衝(chong) 激光係統，都基於(yu) 小的種子振蕩器和一個(ge) 或多個(ge) 放大級（圖4）。重要的是，在高平均功率下，這些放大器（例如片狀預放大器和多程碟片功率放大器）對於(yu) 超短脈衝(chong) 或CW輻射同樣有效。因此，通過集成額外或更靈活的種子源，沒有技術上的原因會(hui) 阻礙我們(men) 建立一個(ge) 可以在CW和脈衝(chong) 或 USP 操作之間切換的單套激光係統。

初次嚐試中，可以選擇在同一係統中僅(jin) 實現兩(liang) 個(ge) 或更多種子源，例如超快速鎖模振蕩器和簡單的 CW 激光器。由於(yu) 大多數係 統包括用於(yu) 拾取發射到放大器鏈中的脈衝(chong) 的脈衝(chong) 拾取器，因此可以容易地使用脈衝(chong) 拾取器在兩(liang) 個(ge) 種子源之間切換。在更高級的方法中，可以使用一種可以在不同模式下（鎖模、調Q 和 CW）運行的種子源。由於(yu) 可以在不同運行模式之間切換的二極管激光器已經可用，因此即使這種想法也不是一場革命。

將當前大功率USP激光器的常用架構再往前推幾步，我們(men) 可能實現一種激光器，可以提供幾千瓦的平均輸出功率，可以在不同的運行模式之間切換，從(cong) 輸出超短脈衝(chong) 到常見的 CW 輻射。此外，可以從(cong) 最先進的激光器獲得 高功率或高強度，也使得通過非線性光學效應的頻率轉換越來越有吸引力和有效（見圖5）。因此，我們(men) 不僅(jin) 能夠在不同的脈衝(chong) 持續時間和 CW 運行之間切換，而且能夠在不同波長之間切換。這將最終滿足可以使用同一台激光器來實現大多數已知的材料加工應用的期望。

這通向一種通用機器，隻需改變其操作參數，即可幾乎執行一整套基於(yu) 激光的加工工藝。這不僅(jin) 是工業(ye) 4.0的理想軟件控製通用工具，將肯定也證實其他經常被引用的宣言，即21世紀將是光子的世紀。

迎接挑戰

當然，在此過程中仍然存在一些挑戰。一些仍然與(yu) 光學有關(guan) ，例如對高能超短脈衝(chong) 的光纖光束傳(chuan) 輸的需求。其他人則關(guan) 注係統工程。得益於(yu) 激光源和激光材料加工物理基礎知識的巨大進步，我們(men) 在很大程度上知道如何和采用何種策略，以及哪種工藝參數來實現理想的工藝。在這裏，瓶頸往往更像是機器本身。事實上，根據計劃的應用，用於(yu) 激光加工的機器應該快約 100 倍，或精確約 10 倍。

為(wei) 了實現這一目標，我們(men) 應該停止將激光機器僅(jin) 僅(jin) 視為(wei) 內(nei) 置激光器的機床。相反，我們(men) 應該從(cong) 頭開始設計激光機器，視其為(wei) 光子係統。這將需要新的科學方法和係統工 程方法，並將成為(wei) 激光製造未來成功的關(guan) 鍵。