激光作為(wei) 3D打印技術中熔融粉末材料的能量形式，在金屬、高分子聚合物等不同領域占據核心地位。一般的激光模式是一個(ge) 點；然而，如果有了全新的激光模式，會(hui) 不會(hui) 引發全新的3D打印技術變革？

北京理工大學副研究員張子龍，在“中國增材製造產(chan) 業(ye) 發展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材製造產(chan) 業(ye) 年會(hui) ”發表的這篇主題演講《新型激光模式在增材製造領域的應用前景》，或許可以給全行業(ye) 帶來新的啟發。

以下是文字實錄：

張子龍（北京理工大學副研究員）：尊敬的各位領導、各位專(zhuan) 家、各位同行，我是張子龍，來自北京理工大學。跟大家稱同行，可能稍微有一點牽強，因為(wei) 我主要在從(cong) 事激光技術的研究，可能和周老師算是同行。

今天給大家分享交流的內(nei) 容是新型的激光模式在增材製造當中，可能有的應用前景。主要想給大家帶來兩(liang) 個(ge) 分享的點。

第一點：可能做增材製造，或者用激光做增材製造的專(zhuan) 家們(men) 不是特別理解激光本身的原理和技術，我在介紹當中把激光原理和技術稍微做一點介紹，尤其是激光模式，包括現在屏幕當中新型的激光模式。

第二點：新型激光在增材製造當中是不是會(hui) 有一些將來可能應用的點，相當於(yu) 對增材製造做一個(ge) 補充，提供一個(ge) 新的發展思路。

這裏是我本身做的一個(ge) 科研方向的介紹，大概就是激光技術和激光應用技術兩(liang) 方麵。

今天報告主要的結構是這樣的：

第一，激光在咱們(men) 工業(ye) 以及軍(jun) 事各個(ge) 領域的應用。

第二，激光在增材製造當中的應用。

第三，新型的激光模式。

第四，新型激光模式是不是在增材製造當中會(hui) 有一些應用。

首先我們(men) 看激光的應用，為(wei) 什麽(me) 激光能在工業(ye) 領域，包括其他很多行業(ye) 發揮越來越重要的作用，就是因為(wei) 激光本身的特點，區別於(yu) 傳(chuan) 統的光源。激光的特點就是高亮點、高方向性、高單色性，這樣一些特點就決(jue) 定了它能夠發揮出非常重要的作用。分別對應的高亮度、高方向性、高單色性，從(cong) 物理概念來講的話，它就是時域的特性、頻域的特性、空域的特色。

時域特性和頻域特性，前麵的專(zhuan) 家都已經探討過了。時域特性，一方麵在時間上，我們(men) 可以是連續的激光，也就是脈衝(chong) 的激光。在不同的時間單位之內(nei) 可以有不同的能量輸出，就是對應不同的功率，這也是它的時域特性。那麽(me) 頻域特性就是不同的波長，不同的激光有不同的波長，不同的波長又對應不同材料的吸收特性，那麽(me) 就可以相應匹配上開展加工製造的應用。

所以，我這個(ge) 報告裏麵主要介紹的是空域的特性，或者我們(men) 在應用當中接觸得不是特別多。實際上剛才周老師已經點到了，周老師在研究的環狀光束在激光當中增材製造的應用，實際上這兩(liang) 個(ge) 光束也都可以認為(wei) 是新型的光束，這是比較於(yu) 傳(chuan) 統的高斯光束或者是平頂光束，是一種新型的光束。

這些在各個(ge) 方麵的應用，這是簡單的舉(ju) 個(ge) 例子。我們(men) 激光增材製造呢，這裏也講一下它的意思。我們(men) 增材製造或者基於(yu) 激光的增材製造我們(men) 先打一個(ge) 二維的結構，然後從(cong) 二維不斷到三維的過程。實際上這個(ge) 過程，我們(men) 可以簡稱是激光3D打印。我覺得可能是2．5D打印，或者2D到3D的打印，因為(wei) 畢竟我們(men) 在打印的過程當中都是二維的，打完二維之後再向上成為(wei) 一個(ge) 三維的。所以後麵探討的可能應用呢，新型的光束在增材製造當中的應用就是更標準的，就是我們(men) 在做的過程當中直接三維成型。在z軸不同的位置上，它的打印時間幾乎是一致的。

這兒(er) 的激光增材製造、激光選序熔融、熔敷層積，就是鋪粉、送粉都已經非常了解了，都進行了詳細的介紹。那麽(me) 還有兩(liang) 種，一個(ge) 是立體(ti) 光固化。這個(ge) 立體(ti) 光固化後麵就是新型的模式可能會(hui) 應用的方向，就是和具有透光特性的數字材料的相互作用成型激光的空間結構。

這些在航天的領域，還有生物醫療的領域，產(chan) 生三維模型都發揮了重要的作用。下麵稍微重點介紹一下我們(men) 新型的激光模式，這個(ge) 有點像激光原理的介紹，我們(men) 這個(ge) 激光到底是怎麽(me) 產(chan) 生的呢。首先我們(men) 要有一個(ge) 激光增益介質，棒狀的，板條的，或者是光纖，它們(men) 都是激光的增益介質。我們(men) 給這個(ge) 增益介質進行泵浦以後，它就會(hui) 吸收能量，吸收能量後續進行釋放，釋放的過程當中，由於(yu) 原子內(nei) 部能級機構的改變就會(hui) 釋放出不同的光子來。但是在增益介質當中釋放出光子，它像我們(men) 的燈、太陽一樣的，是四麵八方去輻射的。那麽(me) 怎麽(me) 樣才能產(chan) 生激光呢？我們(men) 就要在增益介質外麵去加一個(ge) 諧振槍，實際上是兩(liang) 個(ge) 腔鏡，它對特定的波長具有高反的特性，那麽(me) 這個(ge) 激光就可以在諧振槍內(nei) 進行多次往返的振蕩，從(cong) 而實現受激光放大和輸出。那麽(me) 在激光諧振腔內(nei) 及輸出後，就會(hui) 形成三維的激光模式。

我們(men) 來看左邊這幅圖，下麵這兩(liang) 個(ge) 小圖。左邊那個(ge) 00、10、01星和01，這些就表明了激光在諧振腔內(nei) 的橫截麵上的光強分布形式，它門是XY平麵上的光強分布。那麽(me) 像右邊像正旋波一樣的曲線，實際上在諧振腔內(nei) 激光場本身振蕩的一個(ge) 周期都是一個(ge) 激光波長，那麽(me) 諧振腔裏麵可能會(hui) 有很多的激光波長值。那麽(me) 這個(ge) 叫做激光的縱模，因為(wei) 它是沿著腔軸的，所以叫縱模。

在XY平麵的分布形式是橫模，今天探討的新型激光模式，就是主要在講橫模。那麽(me) 右邊新型的諧振腔，這是今年剛剛報道的，在諧振腔內(nei) 加入了一個(ge) J玻片，一束倍頻產(chan) 生的綠光通過它以後變成了渦旋的光束。在諧振腔內(nei) 加入一些對激光進行調控的光學元件，就會(hui) 產(chan) 生新型的激光模式。那這是其中的一種，還有很多包括激光腔腔參數的設計，還有泵浦參數的設計，都可以產(chan) 生不同的激光模式。

我們(men) 來看一下經典的激光模式，就是左邊的這些圖，最左邊這三個(ge) 一列的圖它是厄密高斯光束，第二列就是拉蓋爾高速光束，它們(men) 實際上是兩(liang) 種不同的數學表達式解得的節能槍的模式，它們(men) 分別對應的節能槍是軸對稱的，或者是難對稱的模型。

再往右的兩(liang) 個(ge) 分別是拉蓋爾高斯光束的正弦分量和餘(yu) 弦分量，實際上我們(men) 在現在的激光加工，還有增材製造領域應用最廣泛的就是上麵這一排的，它們(men) 其實都是00模，就是高斯的模式，或者是近似於(yu) 高斯模式的平頂式的光強分布，很多激光加工探討當中也是高速分布或者是平頂分布在加速過程當中的優(you) 劣。

然後我們(men) 來看實際上激光橫模可以具有的分布形式是非常多的，這幅圖給出的，這些都是別人報道出來的實驗結果，都是從(cong) 諧振腔內(nei) 產(chan) 生的。那我們(men) 看厄密高斯光束有不同的階數，拉蓋爾高斯光束下麵也是有不同的階數，然後還有不同的環數，還有它的正餘(yu) 旋分量，下麵是特殊的模式，拉蓋爾高斯光束的疊加態，還有更為(wei) 特殊的，像矩形的均勻光束，還有艾裏光束，這些都是近些年研究出來比較新型的。

實際上在我的介紹當中這些所謂的新型模式，這裏麵的絕大部分的模式，都可以認為(wei) 是新型的激光模式。為(wei) 什麽(me) ？因為(wei) 我們(men) 傳(chuan) 統的激光器應用的，或者是輸出的模式，基本上都是以高斯，或者是高斯附近低階模式疊加的狀態，我們(men) 不太去考慮二維空間的結構。當我們(men) 去考慮二維空間結構的話，我們(men) 就會(hui) 發現激光非常的漂亮，它有非常多不同的樣式。

這部分是我去年和今年新出的科研的成果，我們(men) 除了上一頁的那些狀態，這個(ge) 模式之外，還會(hui) 有更為(wei) 複雜激光的模式，它實際上就是不同的厄密高斯光束、拉蓋爾高斯光束複雜的疊加態。左邊是同階的厄密高斯光束的疊加態，它的階數呢，實際上剛才在上副圖給出了，是會(hui) 有區別的。然後它們(men) 不同的階數進行疊加，產(chan) 生更多新穎的模式。

實際上左邊之前有一些報道，但是右邊這個(ge) 圖是我們(men) 最新的成果，是之前都沒有相關(guan) 報道的。像中間圖C的，大家可以看到這個(ge) 模式分布，像010，像北京的區號一樣，它可以產(chan) 成很多新奇的樣式，它是一個(ge) 非同階模式疊加的結果。我們(men) 從(cong) 原理上、實驗上都驗證了非同階的激光模式，它也是可以相幹疊加的，同時疊加的結果就會(hui) 產(chan) 生非常豐(feng) 富的激光模式花樣。

再來看還有更複雜的模式，這幅圖有點像蝴蝶一樣的這種模式，也是我們(men) 首次發現的。還有這邊像漢字一樣的模式，像激光節能槍能直接輸出漢字。像工、日、三、王、呂這些。

還有我們(men) 可以去調整激光腔結構參數，實現更加可控的、連續模式的變化。可以輸出像右邊這個(ge) 圖這麽(me) 複雜的圖案，它不是簡單的，像我剛才說的那種基本模式的疊加了，像這種複雜的狀態類似於(yu) 幾何結構，去把它呈現出來的。

另外呢，剛才我們(men) 前麵所有介紹的都是一種基頻的，所謂基頻的激光就是我們(men) 隻考慮這一個(ge) 頻率，它沒有轉換到其他的頻率上去。如果我們(men) 去考慮非線性效應的話，就是做一些這種頻率的變換。那麽(me) 這個(ge) 激光模式就會(hui) 呈現出一種空間的變化，那麽(me) 隨著傳(chuan) 輸的過程當中，它在XY平麵內(nei) 的光強分布就會(hui) 發生連續的變化。

像我們(men) 這幅圖給出來，實際上右上角這幅圖非常直觀，這是中間非常接近於(yu) 小圓點的狀態逐漸向外發散，發散的過程當中，三個(ge) 光斑也在逐漸的擴大，擴大的過程當中它們(men) 的樣式、分布會(hui) 發生位移。

那後麵介紹一下前麵提到的這些光束，它們(men) 在增材製造當中，可能會(hui) 產(chan) 生應用的一些前景，其實也是有一些報道已經把它展示出來了。

我們(men) 來看左邊這幅圖，這幅圖是在增材製造領域發的一個(ge) 封麵文章。通過立體(ti) 光固化的方式產(chan) 生了類似於(yu) 仙人掌表麵刺的微納結構，做出微納結構就可以模擬疏水的特性，這些微納結構在仿生材料領域有很大的應用價(jia) 值。但是我們(men) 仔細來看的話，詳細的結構實際上是分層的。我們(men) 在3D打印的過程當中是每一層在向上長，下麵的麵積會(hui) 大一點，那麽(me) 向上長的過程當中，它會(hui) 逐漸減小。減小的過程當中，就形成了這種台階。這個(ge) 台階實際上和我們(men) 真實的情況並不是一致的，也就是說它存在空間分辨率的問題。

但是我們(men) 直接去用類似的光束，來去產(chan) 生這個(ge) 結構呢。這個(ge) 光束在曝光的介質當中，傳(chuan) 輸的過程當中就可以把它固化，這個(ge) 過程當中就直接形成了3D結構生成，因為(wei) 光束傳(chuan) 播是非常快的。所以，在轉瞬之間可以把三維結構相當於(yu) 同時於(yu) 產(chan) 生。

我們(men) 左邊給的這幅圖是上個(ge) 月剛剛發表的一篇論文，在頂級光學期刊的一個(ge) 封麵文章，它產(chan) 生的就是螺旋傳(chuan) 輸的光束。那麽(me) 這個(ge) 光束實際上和我們(men) 這個(ge) 有一些近似的，我們(men) 隻是做一個(ge) 表征，並不代表它絕對可以有這個(ge) 對應。但是我們(men) 是可以與(yu) 嚐試類似的工作。那麽(me) 真正去做這個(ge) 工作是在2012年有一篇開創性的文章，發表在科學雜誌上麵。就是用了簡單的環形光束，環形的光束是有螺旋的相位分布的，那麽(me) 這個(ge) 螺旋的相位分布如果和球麵波、平麵波幹涉以後，它就會(hui) 有一些相對來說比較複雜的光場分布。中間和球麵波幹涉以後，會(hui) 有一個(ge) 螺旋的光強分布，那麽(me) 這個(ge) 螺旋的光強分布再照射到光固化的材料上麵，就可以產(chan) 生出這樣一個(ge) 錐狀的結構。這個(ge) 錐狀的結構近看的話，還是有一個(ge) 螺旋在裏麵的，也就是說實際上這個(ge) 材料已經把我們(men) 這個(ge) 光的空間結構記錄了下來，也可以說我們(men) 這個(ge) 光直接把這個(ge) 材料打印成了這樣一個(ge) 結構。

這個(ge) 工作實際上是很簡單光的分布情況，但是他們(men) 做了第一個(ge) 嚐試。那如果我們(men) 考慮有更複雜的光束分布的情況，那麽(me) 它在進一步探索的話，可能會(hui) 產(chan) 生更多的結果，會(hui) 有更多應用的場景。

在這之後就是到2017年了才有繼續工作的跟進，實際上他們(men) 的工作非常相似，也是用了一階的拉蓋爾高斯光束產(chan) 生出了同樣的錐狀微納結構，隻不過他們(men) 這個(ge) 結構更豐(feng) 富了，他們(men) 分析了更多的參數和更多的情況，產(chan) 生了不同的結果。

接著另一個(ge) 工作也是在2017年，這個(ge) 工作是把兩(liang) 個(ge) 三階不同手性的螺旋光束進行幹涉，同時還再幹涉一個(ge) 平麵波。那麽(me) 幹涉完光強分布的情況，剛才也是舉(ju) 例子了，逐漸向外擴散，擴散出三個(ge) 瓣狀的結構。他們(men) 也把這個(ge) 光強和增材製造結合起來，和3D打印結合起來，直接就形成了類似於(yu) 螺旋槳的結構。大家看最右下麵的這幅圖，就是類似於(yu) 螺旋槳的樣式。實際上也是把激光空間的分布情況，進行了呈現。

後續這三個(ge) 工作是目前調研到的，用新型的激光光束或者是空間結構光束和3D打印結合的一些工作，其實還有很多的工作可以去探索，可以去挖掘。這些工作也是給我們(men) 指引了新的方向，還有提供了新的思路。

那麽(me) 簡單對上麵的內(nei) 容進行總結，我們(men) 介紹了一下近年來我們(men) 這個(ge) 課題組，或者是其他的課題組在新型激光模式的成果，同時也介紹了可能的應用。它的優(you) 點實際上就是會(hui) 有非常快的速度，以及更高的空間分辨率，尤其是微納3D打印方麵有非常大的應用價(jia) 值。當然也是有一些問題需要解決(jue) 的，就是空間的結構光束，它的功率一般不是很高，一般都是在毫瓦的量級，想要獲得高功率的輸出還是有一定的工作要開展。