《Optics & Laser Technology》：Ultrafast laser beam shaping for high-efficiency manufacturing: principles, advances, and applications
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超快激光光场调控技术通过精准调控光束时空特性，突破传统高斯光束能量分布不均导致的加工缺陷，在精密制造中实现高效多尺度加工。系统综述了光场调制实现原理、多焦点并行处理技术、平顶光束、贝塞尔光束及涡旋光束的加工特性与应用。当前技术面临能量利用率、加工均匀性和材料普适性挑战，未来结合智能算法与多维光场控制将推动微纳制造、生物医疗等领域的突破性应用。
尚志航|王进|孙书峰|王亚迪|魏涛|张洪浩|张凤云|王曦|庞勇|孟向伟|郭彦国
中国山东省高端激光制造技术与装备重点实验室，青岛理工大学机械与汽车工程学院，青岛266520
摘要
为了满足现代工业中对精密制造日益增长的需求，超快激光加工技术因其独特的优势而成为一项关键技术。然而，传统超快激光系统中使用的高斯光束具有不均匀的时空能量分布。结合其单点聚焦扫描模式，这限制了该技术在高精度、高效率以及跨尺度加工中的应用。基于此，研究人员致力于开发超快激光光束成形技术，通过精确调节光束的时空特性来提升加工性能。本文系统地回顾和整理了光场操控技术在光束成形中的应用（包括实现方法和应用）、多焦点并行技术，以及典型成形光束（平顶光束、贝塞尔光束和涡旋光束）的加工技术和应用。最后，总结了当前的技术挑战并展望了未来的发展方向。
引言
超快激光具有极短的脉冲持续时间和高峰值功率，能够在材料内部引发非线性效应，从而实现高精度加工，并将热影响区（HAZ）降至最低[1]。超快激光技术的发展始于20世纪60年代，当时首次使用被动锁模技术在氦氖激光器中实现了纳秒脉冲输出[2]。经过数十年的技术进步，Mourou和Strickland提出的啁啾脉冲放大（CPA）技术有效克服了超短激光脉冲放大过程中遇到的非线性和损伤相关问题。这一突破使得高峰值功率和高功率密度的超快激光系统成为可能，为其在高效精密制造中的广泛应用奠定了坚实的技术基础[3]、[4]。与依赖线性吸收并伴随显著热扩散的长脉冲激光加工相比，超短激光脉冲能够在电子-晶格热化之前实现高度局部的能量沉积。因此，热影响区的形成被有效抑制，使得这种方法更适合高精度材料加工[5]、[6]、[7]。
然而，传统的超快激光技术仍面临许多挑战。常见的 Gaussian 光束具有高中心强度和低边缘能量分布的特点，在加工玻璃或硅等基底时容易在加工中心造成热损伤或周边区域不均匀[8]、[9]。此外，能量分布的不均匀性会显著影响激光光束在材料内的非线性传播，并破坏能量沉积过程的稳定性。在使用超短 Gaussian 激光脉冲进行大规模材料加工时，非线性传播受到克尔自聚焦与等离子体诱导的散焦之间的竞争以及光学像差的影响。在硅等窄带隙材料中，这些效应表现为激光激励的自限和低密度等离子体的形成，从而阻碍了大规模光学击穿的启动[10]。
为了克服这些限制，研究工作逐渐转向光场调制和光束成形技术[11]、[12]、[13]。光场调制技术通过空间光调制器（SLM）、衍射光学元件（DOE）、微透镜阵列（MLA）等光学组件，实现对光束波前、强度分布和偏振特性的控制。根据不同的控制目标，该技术主要可以分为时域控制[14]、空间域控制[15]和偏振控制[16]。作为空间域控制的核心分支，光束成形技术专注于重新分配光束强度，以生成特定的光场（如平顶光束和贝塞尔光束），以满足微纳加工和精密制造等前沿应用的需求[17]。
超快激光光束成形技术已广泛应用于微纳加工[18]、工业制造[19]、[20]以及许多前沿领域[21]、[22]、[23]、[24]。随着对加工精度和效率要求的不断提高，光束成形技术变得越来越重要。本文旨在系统总结该技术的最新进展，分析其在高效制造中的关键作用和技术挑战，并深入探讨其在精密制造、工业应用和前沿跨学科领域的核心贡献和技术突破。第一章的引言部分描述了超快激光在加工中的局限性，并解释了超快激光光场控制技术的优势。最后，系统总结了本文的结构。第二章概述了激光光场调制技术的研究进展，包括实现方法和应用。第三章至第五章分别聚焦于多焦点并行加工、平顶光束和贝塞尔光束的加工技术和应用，并详细分析了使用 DOE、MLA、SLM 等设备结合优化算法、化学辅助蚀刻等方法进行光束成形的原则和实践。第六章探讨了涡旋光束在微纳器件制造、光通信和生物医学领域的独特优势和应用潜力。最后，本文总结了相关技术进展，分析了能量利用效率、加工均匀性和材料通用性方面的现有局限性，并展望了未来的发展趋势。值得注意的是，深度学习与自适应光学的结合为光束成形提供了一种新的智能控制方法。新型光学设备的发展和多维光场控制技术的进步将有力推动超快激光技术在三维和四维微纳制造、生物医学、光通信等领域的广泛应用。为了全面了解不同类型光束及其成形策略在高效超快激光制造中的适用性，引言部分总结了代表性的光束类型并进行了比较。相关信息汇编在表1中，为后续对各种基于光束的激光加工技术的深入讨论提供了参考。
激光光场调制的实现原理
经过多年的发展，激光光场调制技术已广泛应用于众多前沿科学和技术领域以及基础研究，成为科学进步和跨学科创新的关键推动因素。其核心原理在于对光场的多个自由度进行协调控制，从而实现光与物质相互作用过程的精确设计。
多焦点并行加工技术及其应用
传统超快激光加工在精密制造中通常依赖单光束聚焦，这严重限制了加工效率。这意味着在需要高吞吐量的工业级应用中，单焦点点加工往往难以满足高效要求[3]、[8]。为了克服单焦点串行加工的固有效率限制，多焦点并行加工技术被视为关键的发展方向之一平顶光束加工技术及其应用
超快激光加工的核心优势在于其对光束能量的精确时空控制。然而，Gaussian 光束的圆锥形能量分布导致能量分布不均匀，从而在加工区域产生显著的热损伤和表面粗糙度增加[98]、[99]。为了解决这些问题，引入了平顶光束。这种光束具有均匀的能量分布和瞬时能量沉积特性，可以抑制热损伤贝塞尔光束加工技术及其应用
在超快激光加工领域，加工精度和焦点纵横比是决定加工质量和效率的关键因素。贝塞尔光束具有较深的焦深、非衍射传播和自修复能力[37]、[116]，在微通道加工[117]、光通信[118]和超快激光制造[119]、[120]、[121]、[122]等关键领域展示了显著的应用潜力。涡旋光束加工技术及其应用
涡旋光束是一种特殊的光束，其特征是具有螺旋相位波前，携带轨道角动量，并且在光束中心处强度为零[43]。与传统 Gaussian 光束相比，涡旋光束由于其独特的环形强度分布和角动量特性，可以实现亚波长级的加工精度，在微纳器件制造[144]、[145]等多个领域具有广泛的应用前景总结与展望
本文系统概述了超快激光光束成形技术的原理和应用。重点介绍了激光光场操控技术、多焦点并行加工、平顶光束、贝塞尔光束和涡旋光束，涵盖了相关的加工技术和应用实例。同时，深入分析了这些技术在高效制造中的关键作用以及该领域当前面临的技术挑战。
作者贡献声明
尚志航：撰写——原始草稿、研究、形式分析、数据整理。王进：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。孙书峰：资金获取。王亚迪：数据整理。魏涛：张洪浩：研究。张凤云：方法论。王曦：资源协调。庞勇：资源协调。孟向伟：研究。郭彦国：验证。
资助
本研究得到了国家自然科学基金[52405492]、山东省自然科学基金[ZR2023ME156, ZR2023QE011]、山东省重点研发计划（国际科技合作）[编号2024KJHZ002]、山东省“双百计划”人才计划[WSR2023055]、青岛市自然科学基金[24-4-4-zrjj-68-jch, 24-4-4-zrjj-76-jch]以及中国111计划[D21017]的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
