如今，激光光源领域的发展突飞猛进，无论从波长范围、频率范围、加工材料范围以及起到的作用等多个方面都经历着飞速的发展与革新。新光源正催生出更多新工艺、新技术和新应用。

此外，激光能量也在不断突破中，从30年前的几百瓦、上千瓦发展到如今的吉瓦以上，并实现了毫米 - 微米 - 纳米的跨尺度加工。不同的激光能量密度适用于特定的激光加工工艺，包括：激光光刻、激光微纳加工、激光转印、激光弯曲成形、激光固态相变、激光熔覆、激光清洗、激光切割、超快激光加工等。同时，激光脉宽、峰值功率和衍射极限等各项指标也持续迎来了突破。

图1. 不同的激光加工工艺

在激光系统发展领域，前沿聚焦点是针对不同激光器工作物质，开展低成本、高效率、高稳定性与极端波长的激光器研发，以及基于高性能、高集成谐振腔设计、高效率激光工作物质开发，推动激光系统的小型化、轻量化发展趋势。

图2. 小型化、轻量化激光器

当前，激光制造行业作为高新科技产业正不断释放出更多的发展动能和活力，行业内持续涌现一批原始创新技术，创造了一批变革性新产品，催生了系列高新技术产业集群，支撑创新驱动发展战略。从激光产业的角度看，其对制造业带来的革新主要体现在以下三方面：激光光源变革催生极限制造；激光系统发展服务于高效定制化制造；复合能量耦合服务于精密调控制造。

首先，衍射极限突破催生纳米制造。1873年，德国科学家Ernst Abbe发现了光的衍射极限。1994年，由德国科学家斯蒂芬·赫尔提出的受激发射损耗技术（STED）采用两束激光，一束激发显微镜物镜下的荧光物质产生荧光，同时另外一束中心光强为零的环形损耗激光将上述激光束最中心以外的所有分子荧光熄灭。这两束光的中心重合在一起，使得发出荧光的区域极小，加工精度可以突破衍射极限达到λ/6。

其次，飞秒激光双光子聚合技术应运而生。作为一种具有纳米精度的三维加工方式，它被广泛应用于制造各种功能微结构。利用激光与物质相互作用的双光子非线性吸收效应和阈值效应，可以突破经典光学理论衍射极限，实现纳米尺度的加工分辨率。1997年，飞秒双光子聚合技术首次被用在三维制造上，可实现λ/10的制造精度。

第三则是近场方法，这是当成像或加工对象与聚焦光学元件的距离小于一个波长时所采用的方法。目前，利用近场针尖效应可达约λ/50的加工精度。

图3.利用近场针尖效应可达约λ/50的加工精度

在这一领域，面临的科学问题是要持续探索和突破激光物质相互作用和新机制诱导下的制造革新。多年来，针对激光与材料之间的相互作用开展了许多研究工作。通过激光加热材料表面使其温度升高，当达到材料的熔点时将发生熔融现象；继续加热材料表面温度达到汽化温度时，表面将发生汽化现象。然而，由于激光加工远离平衡态，迄今仍未有一个清晰明确的理论能够把激光与材料的相互作用机制解释得非常通透。

随后，又涌现了超强激光、超快激光、波长可调等新技术，带来新的科学问题。例如，超强激光领域发现了激光-固体相互作用新现象，基于强场量子电动力学效应，激光-固体相互作用可以有效地产生稠密的正电子。当激光强度超过10²⁴W/cm²时，可以获得>30%的极化度。又如，针对波长可调性，激光-分子相互作用新现象则是通过选择合适的激光波长，将高质量的激光光子能量通过共振选定分子基团的特定模式，定向耦合于选定分子的化学键中，从而有效实现在分子量级的化学反应控制。

未来，该领域要不断攻克更多原创性、前瞻性与前沿性的技术问题：原位力-电-光耦合下微纳器件制造技术（仿生、传感）；激光新材料的合成与制备技术（激光造物）；柔性异质材料分子间界面特性规律与制造技术（异种材料连接）；纳米面形精度制造中的材料可控去除机理与加工技术（微纳减材）等。

第二个制造革新是能量与光学系统的发展推动高效定制化制造。包括大能量振镜、可调光斑、能量分布可调、多光束阵列扫描等产品和技术领域的持续进展，也一并为高水平的智能制造创造了更多的空间。

然而，该领域仍面临不少亟需解决的科学问题，尤其需要关注的是研究大能量场、可变能量场，以及可调节能量场的作用下，晶粒层面的变化及其可控性，因为晶粒的尺度决定了其核心性能。具体来说包括如下问题：晶粒的高度细化、晶粒的可控生长、晶粒的可控分布；材料成分、应力的可控复合；表面跨尺度结构；细胞的可控生长等。总之，基础研究中应深入宏-微-纳跨尺度及物理/化学/生物效应等交叉领域的研究。

以上这些科学问题继而引申出相应的技术问题：激光性能定制技术、结构功能一体化技术、多光束制造与增材制造协同技术，以及大光斑与高速扫描技术等。

这些技术问题催生出了一系列新应用需求。例如，新能源领域的低碳激光处理、精密焊接/切割、激光转印、激光制绒等应用；半导体领域的激光退火、激光掺杂、激光隐切、激光清洗等应用；生命健康领域的人体组织精确烧蚀、双光子聚合微针、组织增材制造等应用。诚然，新的行业需求，反过来又催生了对新光源的需求。

在复合能场耦合支撑精密调控制造方面，首先，要关注光束与其他能场之间的复合制造技术，包括激光+超音速复合制造、激光+电磁场复合制造、激光+超声能场复合制造、激光+电化学复合制造等，旨在突破单一能场调控极限。其次，要探索激光加工与其他工艺之间的复合制造技术，包括多光束复合激光焊接、激光增/等/减复合制造、激光+清洗复合制造、激光+抛光复合制造等，旨在持续突破非接触光加工的局限。最终目标是达成激光与材料作用过程的可调可控，实现多能场、多工艺复合的“1+1>2”的效果。

由此衍生的部分科学问题也不容忽视，如多激光束加热与材料的作用机制；多激光束间频率、波长匹配及耦合机制；多物理场下非均匀体复杂流变行为与表征；多能场下液态金属凝固过程微观结构演变机制；激光与多工艺耦合机制及热裂行为和热-力-流耦合作用下组织演化机理与预测等。

近年来，浙江工业大学在激光表面改性技术领域开展了大量的研发工作并持续取得了突破和创新。激光表面改性作为新一代绿色制造技术之一，面向我国制造业转型升级的重大需求，直接服务于重大装备高端部件的性能提升与国产化制造，成为制造业转型升级的重要支撑。

图5. 激光表面改性是制造业转型升级的重要支撑

激光强化、激光熔覆等表面改性技术在几十年的发展中经历了不断的迭代更新，从光源到改性理论、工艺和控制等方面都历经了从无到有、从有到好、从好到飞跃的阶段，推动激光制造技术的高质高效发展，在工业领域实现产业化应用，并逐步迈向更高水平的复合化、定制化、集成化、智能化发展。

在激光诱导空气等离子体冲击波清洗技术方面，浙工大团队采用双光束激光诱导空气等离子体冲击波清洗工艺去除硅晶圆表面的纳米颗粒。通过实验研究发现，多核等离子体冲击波增强了作用在纳米颗粒上的水平滚动力，与传统清洗工艺相比，该工艺中的未清洗盲区面积减少了95%。同时，激光冲击波清洗避免了直接的机械、液体和光接触，是纳米颗粒无损去除的有效方法。

图6.硅晶圆表面双光束清洗效果

通过激光辐照清洗硅晶圆表面的实验研究，发现颗粒诱导光场增强效应促进了基体与颗粒间的热膨胀差异，有利于纳米颗粒的去除；理论数值模拟揭示颗粒增强近场光学效应是基体表面纳米损伤的内在机理。

图7. 激光辐照清洗装备与原理示意图

该领域开展的一系列研究工作表明，将激光能量选择性定向耦合于选定分子的化学键中，有效地促进化学反应中的分子化学键断裂，从而提高材料制备中关键基团的活性，助力材料形核、生长、结晶等过程。如将激光能量通过共振激发的方式定向耦合于氨气分子中，能够提高其解离效率和活性氮原子的生成，促进氮扩散进程，提高渗氮效率和渗氮质量。

如今，新光源（如多脉冲、可调制等）也催生出新型的激光抛光技术，可逐步替代手工、机器人等传统抛光方式。其中，激光冷抛光的原理是，材料吸收光子后，使表层材料的化学键被打断或晶格结构被破坏，从而实现材料的去除。激光热抛光则利用激光的热效应，通过熔化、蒸发等过程去除材料。

图8. 脉冲激光抛光效果对比

随着激光器和光学系统的发展，不断涌现出万瓦级激光器及大幅面光斑，光斑从固定式发展到可变式、随动式，使得复杂构件的大深度、大面积激光表面强化成为可能。在这一领域，浙工大团队在光学系统、材料、工艺三方面联合攻关，针对制造需求设计激光头与光学聚集系统，集成专用成套装备，旨在实现高效定制化激光固态相变。

高效定制化激光固态相变的技术需求包括重载、交变载荷、长寿命，以及兼具强韧性等。但现有技术的局限性体现在激光淬火深度有限（2mm以内）、马氏体相变组织单一、表面硬而脆。因此，亟需开发多热源激光复合固态相变工艺，其中的关键问题包括：突破强化层深度极限，突破组织调控极限，以及实现大面积替代（感应淬火，化学热处理，炉内加热等传统高能耗热处理手段），最终目标是通过固态相变实现组织与性能的精密调控。

在多能场激光复合制造领域，浙工大团队创新性地提出了超音速激光沉积技术、电磁场复合激光修复技术、电化学复合激光沉积技术、超声场复合激光修复技术四大能场复合激光制造技术。

超音速激光沉积技术将激光技术与超音速沉积技术进行复合，激光束对经由拉瓦尔喷嘴喷出的高速粉末和基体进行加热，结合超音速沉积过程，在基体表面实现高效沉积，具有沉积效率高、温度低、成本低、性能高等优点，是一种极具潜力的新型金属增材制造技术。建立了颗粒和基体作用模型，揭示了动能场与激光同步耦合对材料弹塑性及撞击变形行为的影响，实现了高致密度的涂层制备。

图9. 超音速激光沉积层微锻态组织

利用超音速激光沉积技术实现Fe基、Co基、Ni基、Ti基等合金及其复合材料的沉积和增材制造，材料沉积效率为单一激光熔覆效率的10倍以上，沉积层热影响区≤9 µm，沉积层呈现微锻态组织，物相和微观组织与原始粉末材料保持一致，表现出优异的表面性能。今后，该领域的目标是实现该技术在高端装备核心部件增材制造及再制造方面的广泛应用。

电磁场复合激光修复技术利用电磁场与激光熔池流体相互耦合，对内部的液态流动和成分元素等进行控制，实现对形貌、缺陷、组织等的调控，以达到大幅改善零部件性能的目的。建立了考虑稳态电磁场、缺陷、形貌变化的多物理场数值模型，揭示了电磁场对熔池流动以及传热的影响机制。

在气孔调控方面，该工艺可以高效排出熔覆过程中由于空心粉、外界气体引入和材料内部反应析出的各类气孔。仿真计算及实验结果均表明，利用定向洛伦兹力的辅助，无需调整激光熔覆工艺参数，即可有效调节熔覆层内的气孔分布，在铸铁基体上熔覆空心粉仍能获得近100%的致密度。

图10. 气泡在不同位置及不同洛伦兹力作用下的轨迹 (a)前部（b）中部 （c）后部

在颗粒调控方面，电磁场作用下熔注层的颗粒分布密度提高3倍，可实现增强颗粒分布梯度正反向灵活调控，获得功能梯度涂层，提高后续加工性能。

激光复合微弧氧化表面强化是一种将激光加工与电化学加工有效结合的复合加工技术，利用激光的热力冲击效应可以有效提高氧化效率，改善加工质量。相比于单一微弧氧化，采用激光复合微弧氧化技术后，涂层厚度增加40%，氧化后期的生长速率提高2倍，有益元素含量显著提高，从而使复合涂层展现出更好的耐磨、耐蚀性能。射流式激光同步复合微弧氧化作用下涂层厚度与耐蚀性能得到显著提高，同时加工电压明显下降。

图11. 激光复合微弧氧化技术原理示意图

减材制造方面，采用电化学复合激光抛光技术，能够提升电解抛光的效果，实现均匀减材；同时，电化学耦合激光对材料表面带来晶粒细化的效果，表面粗糙度相较于电化学抛光明显下降。未来，还需进一步探索电解液流场、电场与激光光子的耦合机制及增减材新效应等问题。

在超声振动复合激光修复技术领域，浙工大创新性地提出了丝导超声复合激光制造新方法，实现了超声振动的高效引入。

研究表明，在施加超声振动后，激光熔覆层晶粒高度细化且可形成等轴晶，同时微裂纹及气孔缺陷显著抑制，硬度、耐磨性和抗氧化性等性能均得到改善。随着超声功率的增加，熔覆层的晶粒平均尺寸明显下降，同时晶体择优取向性降低。

图12. 超声场复合激光修复微观组织形貌对比图（a-b，无超声；c-d，超声）

此外，该方法可实现修复区综合性能的提升。在激光熔覆修复中，超声作用下熔覆层常温和高温硬度、平均抗拉强度、平均屈服强度及耐腐蚀性能均有所提升。未来，还需进一步探索超声场对晶粒生长的约束作用以及微观结构演变机制。

针对新光源下的激光与材料相互作用亟需开展研究，例如：新光源下材料电子级单元迁移及其能带结构改善方法、超快激光亚飞秒-亚纳米制造与表征、飞秒激光光束整形与大面积表面周期性结构快速制备等。

其次是极端环境下激光制造材料-结构-功能一体化协同调控，例如：深海腐蚀环境下的高性能复杂构件制造技术及材料-结构与性能的调控机理、太空高真空环境下的多材料多尺度结构逐点/线/面/体控制的激光制造方法、高低温交变环境下的材料组织演化与结构变形的精确调控技术、核装备强辐射环境下的形状精度与性能指标冲突的破解机制及方法等。

新光源和新技术的推陈出新也为“光”制造在更多新兴产业中的大放异彩创造了广阔的发展机遇。例如在船舶与海洋工程领域，高能量密度激光实现超厚船板（>50mm）精细聚焦切割，突破了传统切割加工极限，实现高精度、低损耗的快速加工。又如，在新能源电池领域，新光源有望改变新能源电池纳米应变和晶格位移，改善电池电压衰减问题，提升电池续航能力。此外，在民用航空领域，新光学系统促进航空多孔复杂结构一体化和轻量化的定制化增材制造，减少零部件数量并降低装配接触失效；在国产化芯片领域，新光源助力芯片国产化纳米刻蚀精密调控，有望解决芯片器件“卡脖子”问题，实现中国芯片从“跟跑”到“领跑”的转变。

同时，业界需要进一步探索和研究由新光源衍生的诸多变革性制造技术，如超快激光加工、基于激光的高分辨率 3D 打印、激光剥离、全息光刻、激光微纳加工等前沿制造技术。

还有一点不可忽视的是，高端激光制造装备作为工业母机的典型代表，近年来正快速崛起。而未来需在该领域持续加大研发力度，无论是激光制造装备的关键部件、核心单元等，致力于开发出更多低成本、高效、灵活加工的“光智造”装备，实现对发达国家先进水平的弯道超车。

最后，要关注多学科交叉融合下的校企协同创新发展，全面提升科技创新能力，实现激光相关学科与产业的全链条协同创新发展。