激光智能制造及其过程监测

1、智能激光光、声探测

激光光/声多模态检测技术采用单脉冲激光辐照样品表面，样品表面被高能激光烧蚀、汽化，产生等离子体。一方面，等离子体中的电子发生跃迁，释放出特定波长的光子，通过对光信号进行采集和处理，可以获得元素信息；另一方面，等离子体吸收激光能量膨胀，产生一个作用于样品表面的反喷冲量，进一步在样品内部激发高频超声，对声信号进行采集和处理，可以获得样品的结构和应力信息。因此，LOUD新技术首次实现了同时对电弧3D打印铝合金样品中的元素组成、结构缺陷和残余应力的快速检测。

如下图为对典型的激光焊接铝合金样品进行检测，样品中间为激光焊缝，右侧预制了一条2mm人工缺陷。a图和b图分别展示了使用LOUD和电子探针（EPMA）检测硅元素的结果。c图和d图分别展示了使用LOUD和数字X射线探伤（DR）技术检测缺陷的结果。e图展示了使用LOUD技术和传统超声检测技术检测残余应力的线扫描结果。f图为使用LOUD探测到的焊缝附近的残余应力三维分布图。实验结果表明，各项指标的相对误差均小于5%。

如下图为使用激光光/声探针多模态技术对电弧3D打印的单壁墙样品进行了检测，a图为Cu元素分布结果，b图为缺陷探伤结果，c图为残余应力检测结果。将LOUD结果与传统检测方法结果对比发现，平均相对误差在10%以内。

2、激光高精密制造、激光直写

激光直写是制作衍射光学元件的主要技术之一，它利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光，显影后便在抗蚀层表面形成要求的浮雕轮廓。激光直写制作衍射光学元件（DOE）是把计算机控制与微细加工技术相结合，为DOE设计和制作的方法提供了极大的灵活性，制作精度可以达到亚微米量级。

激光直写技术主要用于制作平面计算全图、掩模、微透镜、微透镜阵列、Fresnel微透镜、Fresnel波带板、连续位相浮雕的闪耀光学元件等，制作工艺己经逐渐成熟。激光直写技术的发展趋势是从直角坐标写入系统到极坐标写入系统，直至多功能写入系统；从基片小尺寸到大尺寸，从平面写入到球面、柱面以及曲面；从利用光刻胶材料到聚合物以及其他特殊工艺材料；写入元件的特征尺寸从几百微米到亚微米；元件制作时间从几天到几小时甚至几分钟；从制作二值图样到写入连续浮雕轮廓;从光学元件到微电子、集成电路、集成光学器件等；从发达的国家到发展中国家，并己经应用到空间光学、光通讯、光学显示等领域，为DOE和微电子、微光学、微机械器件的制作提供了一种新的制作设备。