如今，激光光源領域的發展突飛猛進，無論從(cong) 波長範圍、頻率範圍、加工材料範圍以及起到的作用等多個(ge) 方麵都經曆著飛速的發展與(yu) 革新。新光源正催生出更多新工藝、新技術和新應用。

此外，激光能量也在不斷突破中，從(cong) 30年前的幾百瓦、上千瓦發展到如今的吉瓦以上，並實現了毫米 - 微米 - 納米的跨尺度加工。不同的激光能量密度適用於(yu) 特定的激光加工工藝，包括：激光光刻、激光微納加工、激光轉印、激光彎曲成形、激光固態相變、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迎來了突破。

圖1. 不同的激光加工工藝

在激光係統發展領域，前沿聚焦點是針對不同激光器工作物質，開展低成本、高效率、高穩定性與(yu) 極端波長的激光器研發，以及基於(yu) 高性能、高集成諧振腔設計、高效率激光工作物質開發，推動激光係統的小型化、輕量化發展趨勢。

圖2. 小型化、輕量化激光器

當前，激光製造行業(ye) 作為(wei) 高新科技產(chan) 業(ye) 正不斷釋放出更多的發展動能和活力，行業(ye) 內(nei) 持續湧現一批原始創新技術，創造了一批變革性新產(chan) 品，催生了係列高新技術產(chan) 業(ye) 集群，支撐創新驅動發展戰略。從(cong) 激光產(chan) 業(ye) 的角度看，其對製造業(ye) 帶來的革新主要體(ti) 現在以下三方麵：激光光源變革催生極限製造；激光係統發展服務於(yu) 高效定製化製造；複合能量耦合服務於(yu) 精密調控製造。

首先，衍射極限突破催生納米製造。1873年，德國科學家Ernst Abbe發現了光的衍射極限。1994年，由德國科學家斯蒂芬·赫爾提出的受激發射損耗技術（STED）采用兩(liang) 束激光，一束激發顯微鏡物鏡下的熒光物質產(chan) 生熒光，同時另外一束中心光強為(wei) 零的環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(liang) 束光的中心重合在一起，使得發出熒光的區域極小，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應運而生。作為(wei) 一種具有納米精度的三維加工方式，它被廣泛應用於(yu) 製造各種功能微結構。利用激光與(yu) 物質相互作用的雙光子非線性吸收效應和閾值效應，可以突破經典光學理論衍射極限，實現納米尺度的加工分辨率。1997年，飛秒雙光子聚合技術首次被用在三維製造上，可實現λ/10的製造精度。

第三則是近場方法，這是當成像或加工對象與(yu) 聚焦光學元件的距離小於(yu) 一個(ge) 波長時所采用的方法。目前，利用近場針尖效應可達約λ/50的加工精度。

圖3.利用近場針尖效應可達約λ/50的加工精度

在這一領域，麵臨(lin) 的科學問題是要持續探索和突破激光物質相互作用和新機製誘導下的製造革新。多年來，針對激光與(yu) 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麵使其溫度升高，當達到材料的熔點時將發生熔融現象；繼續加熱材料表麵溫度達到汽化溫度時，表麵將發生汽化現象。然而，由於(yu) 激光加工遠離平衡態，迄今仍未有一個(ge) 清晰明確的理論能夠把激光與(yu) 材料的相互作用機製解釋得非常通透。

隨後，又湧現了超強激光、超快激光、波長可調等新技術，帶來新的科學問題。例如，超強激光領域發現了激光-固體(ti) 相互作用新現象，基於(yu) 強場量子電動力學效應，激光-固體(ti) 相互作用可以有效地產(chan) 生稠密的正電子。當激光強度超過10²⁴W/cm²時，可以獲得>30%的極化度。又如，針對波長可調性，激光-分子相互作用新現象則是通過選擇合適的激光波長，將高質量的激光光子能量通過共振選定分子基團的特定模式，定向耦合於(yu) 選定分子的化學鍵中，從(cong) 而有效實現在分子量級的化學反應控製。

未來，該領域要不斷攻克更多原創性、前瞻性與(yu) 前沿性的技術問題：原位力-電-光耦合下微納器件製造技術（仿生、傳(chuan) 感）；激光新材料的合成與(yu) 製備技術（激光造物）；柔性異質材料分子間界麵特性規律與(yu) 製造技術（異種材料連接）；納米麵形精度製造中的材料可控去除機理與(yu) 加工技術（微納減材）等。

第二個(ge) 製造革新是能量與(yu) 光學係統的發展推動高效定製化製造。包括大能量振鏡、可調光斑、能量分布可調、多光束陣列掃描等產(chan) 品和技術領域的持續進展，也一並為(wei) 高水平的智能製造創造了更多的空間。

然而，該領域仍麵臨(lin) 不少亟需解決(jue) 的科學問題，尤其需要關(guan) 注的是研究大能量場、可變能量場，以及可調節能量場的作用下，晶粒層麵的變化及其可控性，因為(wei) 晶粒的尺度決(jue) 定了其核心性能。具體(ti) 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、應力的可控複合；表麵跨尺度結構；細胞的可控生長等。總之，基礎研究中應深入宏-微-納跨尺度及物理/化學/生物效應等交叉領域的研究。

以上這些科學問題繼而引申出相應的技術問題：激光性能定製技術、結構功能一體(ti) 化技術、多光束製造與(yu) 增材製造協同技術，以及大光斑與(yu) 高速掃描技術等。

這些技術問題催生出了一係列新應用需求。例如，新能源領域的低碳激光處理、精密焊接/切割、激光轉印、激光製絨等應用；半導體(ti) 領域的激光退火、激光摻雜、激光隱切、激光清洗等應用；生命健康領域的人體(ti) 組織精確燒蝕、雙光子聚合微針、組織增材製造等應用。誠然，新的行業(ye) 需求，反過來又催生了對新光源的需求。

在複合能場耦合支撐精密調控製造方麵，首先，要關(guan) 注光束與(yu) 其他能場之間的複合製造技術，包括激光+超音速複合製造、激光+電磁場複合製造、激光+超聲能場複合製造、激光+電化學複合製造等，旨在突破單一能場調控極限。其次，要探索激光加工與(yu) 其他工藝之間的複合製造技術，包括多光束複合激光焊接、激光增/等/減複合製造、激光+清洗複合製造、激光+拋光複合製造等，旨在持續突破非接觸光加工的局限。最終目標是達成激光與(yu) 材料作用過程的可調可控，實現多能場、多工藝複合的“1+1>2”的效果。

由此衍生的部分科學問題也不容忽視，如多激光束加熱與(yu) 材料的作用機製；多激光束間頻率、波長匹配及耦合機製；多物理場下非均勻體(ti) 複雜流變行為(wei) 與(yu) 表征；多能場下液態金屬凝固過程微觀結構演變機製；激光與(yu) 多工藝耦合機製及熱裂行為(wei) 和熱-力-流耦合作用下組織演化機理與(yu) 預測等。

近年來，浙江工業(ye) 大學在激光表麵改性技術領域開展了大量的研發工作並持續取得了突破和創新。激光表麵改性作為(wei) 新一代綠色製造技術之一，麵向我國製造業(ye) 轉型升級的重大需求，直接服務於(yu) 重大裝備高端部件的性能提升與(yu) 國產(chan) 化製造，成為(wei) 製造業(ye) 轉型升級的重要支撐。

圖5. 激光表麵改性是製造業(ye) 轉型升級的重要支撐

激光強化、激光熔覆等表麵改性技術在幾十年的發展中經曆了不斷的迭代更新，從(cong) 光源到改性理論、工藝和控製等方麵都曆經了從(cong) 無到有、從(cong) 有到好、從(cong) 好到飛躍的階段，推動激光製造技術的高質高效發展，在工業(ye) 領域實現產(chan) 業(ye) 化應用，並逐步邁向更高水平的複合化、定製化、集成化、智能化發展。

在激光誘導空氣等離子體(ti) 衝(chong) 擊波清洗技術方麵，浙工大團隊采用雙光束激光誘導空氣等離子體(ti) 衝(chong) 擊波清洗工藝去除矽晶圓表麵的納米顆粒。通過實驗研究發現，多核等離子體(ti) 衝(chong) 擊波增強了作用在納米顆粒上的水平滾動力，與(yu) 傳(chuan) 統清洗工藝相比，該工藝中的未清洗盲區麵積減少了95%。同時，激光衝(chong) 擊波清洗避免了直接的機械、液體(ti) 和光接觸，是納米顆粒無損去除的有效方法。

圖6.矽晶圓表麵雙光束清洗效果

通過激光輻照清洗矽晶圓表麵的實驗研究，發現顆粒誘導光場增強效應促進了基體(ti) 與(yu) 顆粒間的熱膨脹差異，有利於(yu) 納米顆粒的去除；理論數值模擬揭示顆粒增強近場光學效應是基體(ti) 表麵納米損傷(shang) 的內(nei) 在機理。

圖7. 激光輻照清洗裝備與(yu) 原理示意圖

該領域開展的一係列研究工作表明，將激光能量選擇性定向耦合於(yu) 選定分子的化學鍵中，有效地促進化學反應中的分子化學鍵斷裂，從(cong) 而提高材料製備中關(guan) 鍵基團的活性，助力材料形核、生長、結晶等過程。如將激光能量通過共振激發的方式定向耦合於(yu) 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量。

如今，新光源（如多脈衝(chong) 、可調製等）也催生出新型的激光拋光技術，可逐步替代手工、機器人等傳(chuan) 統拋光方式。其中，激光冷拋光的原理是，材料吸收光子後，使表層材料的化學鍵被打斷或晶格結構被破壞，從(cong) 而實現材料的去除。激光熱拋光則利用激光的熱效應，通過熔化、蒸發等過程去除材料。

圖8. 脈衝(chong) 激光拋光效果對比

隨著激光器和光學係統的發展，不斷湧現出萬(wan) 瓦級激光器及大幅麵光斑，光斑從(cong) 固定式發展到可變式、隨動式，使得複雜構件的大深度、大麵積激光表麵強化成為(wei) 可能。在這一領域，浙工大團隊在光學係統、材料、工藝三方麵聯合攻關(guan) ，針對製造需求設計激光頭與(yu) 光學聚集係統，集成專(zhuan) 用成套裝備，旨在實現高效定製化激光固態相變。

高效定製化激光固態相變的技術需求包括重載、交變載荷、長壽命，以及兼具強韌性等。但現有技術的局限性體(ti) 現在激光淬火深度有限（2mm以內(nei) ）、馬氏體(ti) 相變組織單一、表麵硬而脆。因此，亟需開發多熱源激光複合固態相變工藝，其中的關(guan) 鍵問題包括：突破強化層深度極限，突破組織調控極限，以及實現大麵積替代（感應淬火，化學熱處理，爐內(nei) 加熱等傳(chuan) 統高能耗熱處理手段），最終目標是通過固態相變實現組織與(yu) 性能的精密調控。

在多能場激光複合製造領域，浙工大團隊創新性地提出了超音速激光沉積技術、電磁場複合激光修複技術、電化學複合激光沉積技術、超聲場複合激光修複技術四大能場複合激光製造技術。

超音速激光沉積技術將激光技術與(yu) 超音速沉積技術進行複合，激光束對經由拉瓦爾噴嘴噴出的高速粉末和基體(ti) 進行加熱，結合超音速沉積過程，在基體(ti) 表麵實現高效沉積，具有沉積效率高、溫度低、成本低、性能高等優(you) 點，是一種極具潛力的新型金屬增材製造技術。建立了顆粒和基體(ti) 作用模型，揭示了動能場與(yu) 激光同步耦合對材料彈塑性及撞擊變形行為(wei) 的影響，實現了高致密度的塗層製備。

圖9. 超音速激光沉積層微鍛態組織

利用超音速激光沉積技術實現Fe基、Co基、Ni基、Ti基等合金及其複合材料的沉積和增材製造，材料沉積效率為(wei) 單一激光熔覆效率的10倍以上，沉積層熱影響區≤9 µm，沉積層呈現微鍛態組織，物相和微觀組織與(yu) 原始粉末材料保持一致，表現出優(you) 異的表麵性能。今後，該領域的目標是實現該技術在高端裝備核心部件增材製造及再製造方麵的廣泛應用。

電磁場複合激光修複技術利用電磁場與(yu) 激光熔池流體(ti) 相互耦合，對內(nei) 部的液態流動和成分元素等進行控製，實現對形貌、缺陷、組織等的調控，以達到大幅改善零部件性能的目的。建立了考慮穩態電磁場、缺陷、形貌變化的多物理場數值模型，揭示了電磁場對熔池流動以及傳(chuan) 熱的影響機製。

在氣孔調控方麵，該工藝可以高效排出熔覆過程中由於(yu) 空心粉、外界氣體(ti) 引入和材料內(nei) 部反應析出的各類氣孔。仿真計算及實驗結果均表明，利用定向洛倫(lun) 茲(zi) 力的輔助，無需調整激光熔覆工藝參數，即可有效調節熔覆層內(nei) 的氣孔分布，在鑄鐵基體(ti) 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(lun) 茲(zi) 力作用下的軌跡 (a)前部（b）中部 （c）後部

在顆粒調控方麵，電磁場作用下熔注層的顆粒分布密度提高3倍，可實現增強顆粒分布梯度正反向靈活調控，獲得功能梯度塗層，提高後續加工性能。

激光複合微弧氧化表麵強化是一種將激光加工與(yu) 電化學加工有效結合的複合加工技術，利用激光的熱力衝(chong) 擊效應可以有效提高氧化效率，改善加工質量。相比於(yu) 單一微弧氧化，采用激光複合微弧氧化技術後，塗層厚度增加40%，氧化後期的生長速率提高2倍，有益元素含量顯著提高，從(cong) 而使複合塗層展現出更好的耐磨、耐蝕性能。射流式激光同步複合微弧氧化作用下塗層厚度與(yu) 耐蝕性能得到顯著提高，同時加工電壓明顯下降。

圖11. 激光複合微弧氧化技術原理示意圖

減材製造方麵，采用電化學複合激光拋光技術，能夠提升電解拋光的效果，實現均勻減材；同時，電化學耦合激光對材料表麵帶來晶粒細化的效果，表麵粗糙度相較於(yu) 電化學拋光明顯下降。未來，還需進一步探索電解液流場、電場與(yu) 激光光子的耦合機製及增減材新效應等問題。

在超聲振動複合激光修複技術領域，浙工大創新性地提出了絲(si) 導超聲複合激光製造新方法，實現了超聲振動的高效引入。

研究表明，在施加超聲振動後，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製，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(ti) 擇優(you) 取向性降低。

圖12. 超聲場複合激光修複微觀組織形貌對比圖（a-b，無超聲；c-d，超聲）

此外，該方法可實現修複區綜合性能的提升。在激光熔覆修複中，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構演變機製。

針對新光源下的激光與(yu) 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構改善方法、超快激光亞(ya) 飛秒-亞(ya) 納米製造與(yu) 表征、飛秒激光光束整形與(yu) 大麵積表麵周期性結構快速製備等。

其次是極端環境下激光製造材料-結構-功能一體(ti) 化協同調控，例如：深海腐蝕環境下的高性能複雜構件製造技術及材料-結構與(yu) 性能的調控機理、太空高真空環境下的多材料多尺度結構逐點/線/麵/體(ti) 控製的激光製造方法、高低溫交變環境下的材料組織演化與(yu) 結構變形的精確調控技術、核裝備強輻射環境下的形狀精度與(yu) 性能指標衝(chong) 突的破解機製及方法等。

新光源和新技術的推陳出新也為(wei) “光”製造在更多新興(xing) 產(chan) 業(ye) 中的大放異彩創造了廣闊的發展機遇。例如在船舶與(yu) 海洋工程領域，高能量密度激光實現超厚船板（>50mm）精細聚焦切割，突破了傳(chuan) 統切割加工極限，實現高精度、低損耗的快速加工。又如，在新能源電池領域，新光源有望改變新能源電池納米應變和晶格位移，改善電池電壓衰減問題，提升電池續航能力。此外，在民用航空領域，新光學係統促進航空多孔複雜結構一體(ti) 化和輕量化的定製化增材製造，減少零部件數量並降低裝配接觸失效；在國產(chan) 化芯片領域，新光源助力芯片國產(chan) 化納米刻蝕精密調控，有望解決(jue) 芯片器件“卡脖子”問題，實現中國芯片從(cong) “跟跑”到“領跑”的轉變。

同時，業(ye) 界需要進一步探索和研究由新光源衍生的諸多變革性製造技術，如超快激光加工、基於(yu) 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製造技術。

還有一點不可忽視的是，高端激光製造裝備作為(wei) 工業(ye) 母機的典型代表，近年來正快速崛起。而未來需在該領域持續加大研發力度，無論是激光製造裝備的關(guan) 鍵部件、核心單元等，致力於(yu) 開發出更多低成本、高效、靈活加工的“光智造”裝備，實現對發達國家先進水平的彎道超車。

最後，要關(guan) 注多學科交叉融合下的校企協同創新發展，全麵提升科技創新能力，實現激光相關(guan) 學科與(yu) 產(chan) 業(ye) 的全鏈條協同創新發展。