定义
使用激光辐射进行材料加工的各种方法的总称。
激光材料加工是激光应用的主要领域之一（更普遍的是利用激光），具有特别强的经济影响。 如今，它被用于非常广泛和多样化的工业制造技术，涉及普通商品的大规模生产以及非常专业的应用。 这种工艺可以应用于各种材料，包括许多不同的金属（从薄箔到厚片）、陶瓷、玻璃、聚合物（塑料）、纺织品、皮革、纸张和木材。 采用广泛的激光源和加工方法，适应各种材料特性（例如光吸收强度，硬度，熔化和蒸发温度，导热性，氧化倾向等）和预期加工结果的强烈差异。
术语激光辅助制造可以被视为稍微通用一些，也包括对准激光器和用于光学计量的激光器，例如干涉仪。 然而，该术语通常仅用作激光材料加工的同义词。
激光束加工是指那些减法（去除材料）的激光材料加工方法，例如激光切割、钻孔、铣削或划线，但不包括增材制造或表面改性。
图1：激光加工头在运行。资料来源：弗劳恩霍夫ILT，德国亚琛。
本文对激光材料加工及其物理和技术基础进行了一般介绍。 许多具体的技术在单独的百科全书文章中进一步解释。
激光材料加工与广泛的其他制造技术竞争，并且通常表现出许多吸引人的特征：
- 在某些领域，它允许没有替代方法可用的制造步骤和结果。 这适用于具有最高空间精度的微加工中的各种应用。 另一个例子是在透明材料中加工，使用传统工具无法进入。 此外，可以用其他方式加工的材料很难加工。
- 在许多情况下，它允许非常快速和高效的制造，这对于大规模生产尤为重要。
图2：碳纤维零件的激光轴化作为维修准备。这种材料在轻质结构中很受欢迎，但很难加工。资料来源：乌利·雷根谢特，斯图加特斯特拉尔维克泽格研究所。
- 在处理结果的质量方面通常具有实质性的优势。 例如，微型零件可以制造出高表面质量，非接触式加工避免了机械工具材料污染。
- 非接触式操作还避免了机械工具的磨损。 激光源和系统的其他部分可能仍需要一些维护和维修，但通常比传统的机械加工系统少得多。
- 极大的灵活性来自于修改和优化各种参数的可能性，例如光波长、施加的光功率或脉冲能量、脉冲持续时间和时间形状、聚焦条件和偏振。 一些机器允许人们通过计算机控制轻松修改几个这样的参数。
- 激光技术非常适合集成到现代系统中，例如涉及机器人和自动化的无人产品环境、CAD 和 CAM（计算机辅助设计和制造）——工业 4.0 的一部分。
另一方面，基于激光的制造方法具有某些典型的问题和局限性：
- 激光工艺的典型副作用会发生，例如热影响区（例如材料氧化）和有毒烟雾的产生（例如聚合物烧蚀）。
- 一个经常遇到的问题是所需机器的成本相对较高，然而，这可以通过快速生产（至少在产量大的情况下）和适应新工艺的灵活性（通常不需要新机器）来抵消。
- 对于某些过程，能耗相当高，并且需要强大的电气装置，通常还有特殊的水冷设施，冷却器等。 但是，在其他情况下可以节省大量电力。
激光工艺
处理目的
通常，激光材料加工是基于激光（或更一般的激光辐射）与一些通常固体材料的某种相互作用。 这种交互可用于许多不同的目的：
- 激光加工利用减材工艺，即受控地去除材料，以改变零件的形状或分离零件。 例如激光切割，钻孔和铣削。
- 其他减材工艺包括激光清洗和去除隔离材料。
- 一些方法用于连接材料，例如激光焊接和焊接。
- 可见结构的生产是激光打标和雕刻的目的。
- 可以用激光熔覆或涂层保护表面。
- 激光表面改性使用各种方法，例如激光硬化。
- 有一些激光增材制造方法可用于生成2D或3D结构，例如激光烧结。
某些方法基于所涉及的物理过程而不是应用程序来表示。 例如，某种激光烧蚀涉及许多方法，例如在激光雕刻中，或者在激光钻孔中具有完全不同的目的。 类似地，激光烧结可以以生产熔覆为目的进行。
图3：一台激光切割机在运行。资料来源：斯图加特斯特拉尔维克泽格研究所。
物理过程
激光材料加工可以涉及各种物理过程；最重要的有以下几点：
- 激光辐射的（通常只是部分）吸收会导致材料加热。 在最温和的情况下，材料保持固态，但温度升高会促进某些改性 - 例如，表面氧化或应力引起的弯曲。
- 为了获得更强的加热，材料可能会熔化，即进入液态。 熔体可能会积聚在最初被固体材料占据的相同体积中，并在光束关闭或移开时重新凝固。 在其他情况下，熔体可能会流走或被吹走。 即使熔体保持在原位，它也可能表现出大量的对流（由温度梯度和马兰戈尼效应驱动，与表面张力有关），这有助于散热。
- 对于更强烈的加热，至少一些被击中的材料可以转化为蒸汽。 这可能会导致大量的蒸气压，这也可能导致熔体 - 例如，导致熔体排出。 例如，这对于钻孔和切割过程可能很重要。 当液相几乎没有积累时，转化为蒸汽有时称为升华（有点不准确）。
- 某些材料如某些聚合物或木材不能熔化，而只能通过分子结构的光解（光解）去除。
- 通过各种方式，激光辐射的吸收可以改变 - 有时甚至是显着的 - 由于工件的诱导变化。 例如，金属熔体可能表现出比固体金属更强的吸收，并且在形成蒸汽时吸收可能会进一步急剧上升。 除了材料特性的变化外，创建的几何形状还可以对辐射的分布及其吸收产生额外的影响。 例如，在激光钻孔和焊接操作中，人们通常会获得一个蒸汽通道，辐射可以通过该通道到达底部而不会造成过多的功率损失；这是一种波导。 这种现象被利用用于锁孔焊接（深焊）。
- 激光辐射也可以被蒸汽吸收，蒸汽可能通过各种物理过程电离——不仅是加热，还有激光辐射与形成的等离子体中的载流子的直接相互作用。 产生的等离子体羽流可以有效地保护工件免受进一步的激光辐射，使工艺至少在当前应用的激光脉冲的剩余持续时间内无效。
- 众所周知，熔体的表面形状不稳定，并且会经历复杂的几何形状变化，例如形成不同大小的液滴。 它们基本上反射激光，从而以复杂且不完全可重复的方式改变强度分布。 这种交互也可能导致过程不稳定。
- 在某些情况下，注入的工艺气体起着重要作用。 例如，可以在金属切削过程中使用氧气喷射，这不仅有助于更有效地去除材料，而且还可以通过氧化某些材料产生额外的工艺热量。 在其他情况下，惰性气体用于抑制某些不需要的化学反应，例如氧化，或用于增加激光辐射蒸汽的透明度。
所涉及的吸收过程通常与原始材料的普通线性吸收有很大不同。 已经提到，金属的吸收性能在熔化时会发生相当大的变化，特别是当形成蒸汽和等离子体时。 此外，多光子吸收过程变得非常重要，例如在用我们的短脉冲处理玻璃时：这样的过程可以产生一些初始激发，并且产生的高自由载流子密度可以产生进一步的吸收。
在许多情况下，各种交互过程的组合会导致相当复杂的情况。 这不仅适用于最高强度的工艺（例如“冷烧蚀”，其中纯热工艺不占主导地位），而且适用于所有使用的基于激光的技术的很大一部分。 为了准确分析过程，需要复杂的多物理场模型，这些模型考虑了各种方面，例如相变，热容和热传导，蒸汽和等离子体形成，材料的运动，可能还有化学反应等。 这样的工作可能很困难，但可以大大有助于理解流程，然后有助于更好地针对特定目的优化它们。 当查明了根本的局限性时，由此得出的结论可能有助于取得进展，例如，不进一步尝试行不通的方法，并可能开发新的技术方法。
要开始上述一些物理过程，必须在足够长的时间内达到一定的强度水平。 对不同流程的要求非常不同：
- 对于激光硬化、焊接和回火等工艺，强度水平相对较低（通常低于 105宽/厘米2） 是必需的，但时间相对较长，有时超过一秒。
- 对于激光焊接，强度更高，约为 106宽/厘米2到 107宽/厘米2是必需的，同样需要相对较长的时间。
- 对于切割和钻孔，强度仍然更高，达到 10 量级8宽/厘米2是必需的，但通常时间要短得多。
- 各种激光烧蚀过程的强度水平通常在 10 之间9宽/厘米2到 1012宽/厘米2，但在 100 fs 和 100 ns 之间的更短的时间尺度上。
图4：激光材料加工中不同工艺的强度范围。请注意，每个过程的强度和脉冲持续时间可能会有很大差异；例如，对于激光烧蚀，可以使用纳秒、皮秒和飞秒激光器——在某些情况下甚至是毫秒脉冲。
由于高强度的过程本质上更快，因此需要在更短的时间内进行高强度，因此应用的激光通量水平（每单位面积的光能）的变化远小于强度，尽管它们仍然变化了几个数量级。 值得注意的是，例如，烧蚀过程在与激光硬化相似的通量水平下工作，只是能量传递的时间要长得多。 但请注意，用于烧蚀的后续脉冲可能会多次击中工件上的同一点；因此，总相互作用时间可以比脉冲持续时间长许多数量级，并且总通量可以高得多。
另一个维度与脉冲重复率有关。 在许多情况下，这些过程基本上可以以相同的方式使用，只是在更高的速度下，只需使用更高的脉冲重复率，这与相应的更高的激光平均功率相关。 只有当重复率如此之高时，情况才会发生深刻的变化，例如，一个脉冲产生的羽流在下一个脉冲到达之前不会消失。
微处理和宏观处理
一个特别重要的应用领域是激光微加工，我们更具体的激光微加工（仅适用于减材工艺）。 当工件至少是在尺寸远低于一毫米的工件上创建的结构时，这些术语适用。 例如，可以在不锈钢零件上钻直径只有几十微米的孔，即使具有相当大的纵横比；任何传统的加工技术都很难获得这样的结果。 同时，基于激光的工艺的特定限制（例如有限的加工速度和有限的激光功率）变得不那么重要，因为只需要烧蚀相当少量的材料。
超快激光器在这些应用领域尤为重要；它们允许最佳的加工结果，除了如果没有这种激光系统布置的极高峰值强度就无法实现激光的充分吸收的应用。 缺点仍然是这种系统的大量成本。 因此，在此类脉冲参数足够的情况下，长脉冲激光系统（通常在低纳秒范围内）可能是首选。
微加工/加工的反面分别是宏观加工和宏观加工。 一些供应商只关注其中一个领域，而其他供应商则同时涵盖这两个领域。
效率考虑因素
通常，了解处理效率非常重要，包括其限制和优化方法。 根据过程的不同，可以用不同的方式进行量化。 例如，对于激光焊接，可以考虑每单位长度所需的光能，而对于区域的操作，可以考虑所需的总通量（每单位面积的能量），当然要考虑到可能需要将许多激光脉冲发送到同一区域才能获得所需的结果。
过程效率可能取决于所涉及的物理过程的许多细节。 一些例子：
- 激光辐射的高效率吸收是可取的——反射光本质上意味着能量损失。 如果过程改变条件，使吸收迅速增加，则吸收最初较弱可能是可以接受的。
- 空间光束剖面的低强度部分也可能导致能量的显着损失，其中未达到所需过程的阈值。 因此，横梁形状会影响加工效率。
- 热传导（特别是在金属中）会导致能量损失到材料体积中，甚至可能是有害的，例如通过产生热影响区。 通过使用较短的激光脉冲，通常可以大大减少这个问题。
- 热辐射（热辐射）是另一种可能的损耗通道。
- 在某些情况下，产生的等离子体可以保护工件免受激光辐射，大大降低加工效率，而在其他情况下，它甚至有助于耦合能量。
- 材料的汽化和电离会消耗大量能量。 以液体形式排出材料的效率要高得多，可能借助快速流动的工艺气体。 但是，在处理质量方面存在权衡。 因此，人们可以使用组合过程，包括有效的液体排出和高强度的后处理。
使用超快激光器的加工过程是否更有效？
基于超短激光脉冲（皮秒甚至飞秒持续时间）的过程具有很大程度上消除热传导和热辐射的能量损失的优点。 另一方面，汽化和电离消耗大量能量。 因此，由于可用的激光平均功率暂时更有限，因此处理速度和效率通常不是那么高。 此外，考虑到每瓦平均功率的成本要高得多，人们发现超快激光加工在与具有更长脉冲的替代工艺竞争中存在问题，只要这些工艺可用且工作足够好。 然而，在许多情况下，只有通过超快激光方法才能获得所需的加工结果（例如在质量方面）。
重要的激光材料加工方法
下面，简要介绍一些最重要的激光材料加工方法。 它们中的大多数在单独的百科全书文章中都有更深入的解释。
大多数工艺可以应用于非常小的长度尺度（微加工）或较大的长度尺度（宏观加工）。
消融方法
工业制造中重要的各种材料都可以烧蚀，主要使用短或超短激光脉冲。 在移动激光加工头（或工件）时，通常沿着预定义的模式系统地施加大量脉冲，受单个脉冲影响的区域有一定的重叠。
在这里，最重要的参数是非常高的强度水平，这可以与非常短的脉冲持续时间相结合来实现；辐射的波长重要性较低。 对于金属，热激光烧蚀方法需要纳秒脉冲，而更长的脉冲持续时间适用于陶瓷材料，例如，因为它们表现出较低的导热性。
人们可能会烧蚀均匀材料的某些深度，有时用于形成某些表面结构。 在其他情况下，去除另一种材料上的某种薄膜 - 例如，氧化层或先前应用的涂层或油漆（脱漆）。 方便的是，要去除的薄膜通常表现出更强的吸收，因此很容易让底层材料不受影响（选择性吸收原理）。
图5：使用超快激光系统在玻璃上进行激光烧蚀。资料来源：Fraunhofer ILT，德国亚琛/Volker Lannert。
激光烧蚀的工业应用的一些例子：
- 机器零件经过加工以获得微纹理表面，例如为了减少润滑零件的摩擦。 一个例子是内燃机的气缸和活塞。
- 薄膜光伏电池板需要在其边界处绝缘。 如今，高效的激光工艺被用于此目的。
- 烧蚀过程对于激光清洁也很重要。 例如，它们可以用于再生工业工具和修复艺术品。
- 用于防水外壳的密封件通常是通过首先沉积一层连续的弹性体，然后用激光去除除所需的密封条纹之外的所有弹性体制成的。
- 绝缘电导体（例如带状电缆）在用激光局部去除绝缘聚合物后，经常需要在某些位置连接。 该过程必须避免导体氧化。
- 一些激光打标（雕刻）工艺也基于材料烧蚀。
激光钻孔
激光钻孔意味着产生（主要是小直径）孔，例如，这些孔要么达到有限的（希望是明确的）深度（盲孔），要么穿过某些金属板的整个厚度。 可以加工多种材料，包括金属（甚至是相当坚硬的材料）、陶瓷、玻璃、半导体和其他晶体。
钻孔可以用单个脉冲（在足够薄的材料中，例如金属箔）或一系列许多脉冲（冲击钻孔）来完成。
通过钻孔（即切割孔的轮廓）可以有效地生成较大的孔。 一种改进的方法是螺旋钻孔，其中光束也沿z方向移动，例如获得焦点的螺旋路径。
激光钻孔应用的一些示例：
- 某些机器部件需要非常小直径的孔，例如用于内燃机喷油器的喷油嘴。
- 某些类型的过滤器筛需要大量小孔。
- 涡轮叶片的空气冷却、排气目的、仪表和各种其他目的需要更大的孔。
- 在激光切割工艺（见下文）中，该过程通常需要从生成初始孔开始，从中可以继续实际的切割过程。
- 在电子制造中， 许多用于接触印刷电路板上组件的小孔需要快速制造.
图6：涡轮叶片上的冷却通道的激光钻孔。资料来源：Fraunhofer ILT，德国亚琛/Volker Lannert。
激光钻孔特别适用于需要产生具有大纵横比（长度与直径之比）的非常薄的孔，这在传统的机械方法中很难。 此外，它通常是易碎材料的唯一选择，在应用机械工艺时会破裂。
激光钻孔工艺通常经过精心优化，以扩展性能（例如孔径、孔深和纵横比）和加工质量，例如一致的孔径（低锥度）、漂亮的圆形横截面（低椭圆度）和孔周围材料的低沉积。
有关更多详细信息，请参阅有关激光钻孔的文章。
激光切割
图7：使用机器人手臂上的切割头进行高速激光切割。资料来源：弗劳恩霍夫ILT，德国亚琛。
激光切割在某些方面类似于钻孔，但旨在将零件分离一定长度。 它通常从钻孔（穿孔）开始以获得一些初始孔，从那里可以通过激光加工头和/或工件的平稳运动继续切割过程。 为了实现分离，需要获得确定的间隙（切口）。 为此，必须以液体形式（如熔体）或通过汽化去除一定数量的材料。 后者通常会导致更高的加工质量，但也会导致较低的工艺效率。 在某些情况下，大部分工艺热量是通过金属氧化产生的，通过注入纯化的氧气来实现。 在其他情况下，使用惰性工艺气体以提高质量。
高效的激光切割方法和机器系统已被开发用于广泛的工业应用，从造船中的金属板切割到精密加工，甚至微加工。 可以切割各种类型的金属，从薄箔到厚片，还有各种聚合物（塑料），甚至脆性材料，如陶瓷、玻璃和半导体。
在某些情况下，可以实现出色的切割质量，而在其他情况下，质量仅令人满意。
有关更多详细信息，请参阅有关激光切割的文章。
激光焊接
焊接意味着通过加热零件边界来连接零件，让它们熔化和结合。 加热可以通过吸收激光方便地完成。
已经开发了不同的激光焊接工艺。 对于深度较小或中等的焊缝，可以进行中等光学强度的传导焊接，而通过深焊可以实现具有更高纵横比（焊缝深度与宽度）的深焊，应用更高的光学强度。 这种工艺在工业制造中具有广泛的应用。
有关更多详细信息，请参阅有关激光焊接的文章。
激光打标
激光可以以各种方式用于标记材料。 一种可能性是激光雕刻，即从均匀的表面上去除一定深度的材料。 在其他情况下，去除薄涂层，例如铝部件的阳极氧化层或某些油漆层；在这种情况下，仅去除一层薄薄的层就足以获得强烈的视觉对比度。 其他方法基于表面改性，这可能再次由热或非热源的各种物理效应引起。
激光打标在工业制造中有着广泛的应用。 它适用于许多机床，印刷电路板，集成电路和其他电子元件，电缆，键盘图案，信用卡和食品包装。 其中一些标签需要消费者可读，而另一些标签则用于质量监控和错误跟踪。 与其他（非激光）营销技术（如喷墨打印和冲压）相比，激光打标在灵活性、加工速度、质量和运营成本方面具有实质性优势。
中等平均功率的脉冲固态激光器主要用于金属打标，而陶瓷、纸张、纸板和木材 CO2激光很常见，准分子激光器用于某些特殊情况，例如眼镜。
有关详细信息，请参阅有关激光打标的文章。
激光表面改性
修改（改善）表面的方法有很多，例如机器零件。 一个突出的例子是激光硬化，它主要应用于富碳钢和铸铁。 其他重要方法包括激光重熔、上光、退火、珩磨、合金化和涂层。
有关详细信息，请参阅有关激光表面改性的文章。
激光焊接
焊接方法用于连接零件，同时限制所需的加热。 与焊接相反，它们不是基于熔化要连接的部件，而是基于一些焊接剂（焊料），这些剂在重新凝固时形成部件的牢固连接。
使用中等聚焦的激光束（光斑直径远低于 1 mm），可以实现非常可控的加热，因此可以焊接非常精细的结构。 这用于在机械表上安装主发条，并在许多其他带有精细机械部件的领域安装主发条。
激光焊接在微电子中也非常重要，它主要用于制造电接触。
此外，使用高功率激光器的无助焊剂硬焊接工艺在汽车制造中很常见；它们不受焊接的一些限制。
有关详细信息，请参阅有关激光焊接的文章。
激光熔覆和涂层
覆层和涂层都意味着在某些基材上形成一层不同的材料。 不同之处在于，覆层意味着请在金属基座上制作金属层，而对于涂层，它可以是不同的材料组合，而且涂层通常比覆层薄得多。 这两种方法的共同目的通常是为表面提供某种保护，例如防止磨损或腐蚀。
有关详细信息，请参阅有关激光熔覆和激光镀膜的文章。
激光增材制造
激光增材制造工艺是在激光束的帮助下将附加材料添加到工件上的工艺。 这在某种程度上与激光加工相反，激光加工总是减法。
激光增材制造方法的目的可以是构建或多或少复杂的物体，例如在快速原型制作和工具的背景下，或者只是生产一层某些材料（见上文，激光熔覆和涂层）。
有关详细信息，请参阅有关激光增材制造的文章。
激光清洗
通过施加足够强烈的激光，可以从表面上去除各种不需要的材料。 例如，暴露在污染空气中的艺术品会产生深色沉积，可以用激光清洁，同时保留原始材料。 更常见的是，这些方法应用于工业制造过程中的高效清洁零件。
有关详细信息，请参阅有关激光清洁的文章。
激光材料加工系统的技术方面
典型架构
典型的激光材料加工系统包括以下部分：
- 中心部分是某种类型的激光源，其除实际激光器外还可以包含一个或多个光放大器、倍频器、光参量振荡器或其它用于非线性频率转换的装置。 系统还可能还有其他组件用于脉冲拾取、脉冲整形或调节激光束。
- 激光源通常需要辅助系统，例如激光电源、激光冷却装置、用于激光安全的联锁系统以及某些气体的供应（例如气体激光器）。
- 通常有某种光束传输系统，用于将产生的激光束传递到应用领域。 （在某些情况下，多个光束，甚至可能在不同的波长和/或具有不同的聚焦条件下，被叠加在一起。 最终的光束调节通常在一些激光加工头中进行，该激光加工头可能具有其他手段，例如用于注入加工气体和监控过程（例如使用相机）。 激光加工头通常安装在机器人手臂上。
- 通常需要一些方法来供应和移除工件，以及相对于工件移动光束焦点。 通常使用计算机控制的电动装置来移动工件和/或激光加工头（“飞行光学器件”）——通常其中一个实现一定的自由度，而另一个则实现其他自由度。 不同类型的激光扫描仪允许人们以常规方式或通过计算机专门控制每个运动，从而快速扫描某个区域（例如一维或二维）的激光束。
此外，为了确保激光安全以及安全提取有毒烟雾和积累碎片等目的，可能需要安装。
图8：用于汽车制造的工业远程激光焊接平台，这里应用于铝基汽车门。资料来源：马克斯·科瓦连科，斯图加特斯特拉尔维克泽格研究所。
请参阅有关激光加工头的文章，其中包含更多具有实际重要性的细节。
二手激光源
激光材料加工使用各种不同的激光源，根据特定的应用要求，具有特定的优点和局限性：
- 一些气体激光器，特别是一氧化碳2激光器由于其在某些工艺中的特定优势，仍然被广泛使用。 高输出功率和高光束质量的结合通常是相关的，通常为10.6μm的长发射波长，这导致在各种材料（例如聚合物，木材，陶瓷，但通常不是金属）中的出色吸收。 操作模式可以是连续波或脉冲。
- 准分子激光器在紫外激光器领域仍然发挥着重要作用，尽管它们在墙插效率方面存在局限性。
- 固态激光器，现在主要是二极管泵浦版本，使用最广泛。 虽然绝大多数此类激光器在1μm至1.1μm之间的光谱区域内工作，其中可以获得最佳激光性能，但通过非线性频率转换方法可以达到各种其他波长。 特别是，有许多基于倍频的绿色激光器，也有基于频率三倍和四倍的紫外激光器。
- 光纤激光器（通常与高功率光纤放大器结合使用）是一种特定类型的固态激光器，已变得越来越重要。 它们通常具有高壁插效率、高光束质量和（特别是对于连续波激光器）高输出功率。 然而，与体激光器相比，它们在脉冲能量方面的限制要大得多。
- 二极管激光器（→直接二极管激光器）的直接应用，例如二极管条形，二极管堆栈或VCSEL阵列的形式，在激光器成本和墙插效率方面非常有吸引力。 最初由于光束质量相当有限而很困难，但光束整形的实质性进步和光谱光束组合的使用越来越多，改变了这种情况；即使是像激光切割和焊接这样要求苛刻的应用，现在有时也可以使用这种激光器来完成。 因此，直接二极管激光器现在越来越多地取代一些二极管泵浦固态激光器 - 但仅限于连续波操作领域，因为它们产生脉冲的潜力非常有限。
在任何情况下，精心设计的工业激光系统在各种实际方面都是非常理想的，例如可靠性和使用寿命，可能需要的更换零件的快速可用性等。 其他实际重要的方面当然是安装成本（制造激光设备，将其运送到工厂并安装）和运行费用（电力消耗，燃气消耗，维护，维修）。
有关更多详细信息，请参阅有关用于材料加工的激光器的文章。
所用激光源的重要参数
在激光材料加工中，表征激光辐射的相当多的不同参数可能非常相关，即激光规格的一部分：
- 光波长：在大多数情况下，这很重要，因为光吸收对于使用的过程至关重要，而吸收强度在很大程度上取决于波长。 例如，聚合物很容易被强烈的紫外线脉冲烧蚀，而它们很难用可见光或近红外光加工。
- 光功率和强度：许多工艺需要适当的高光强度（每单位面积的功率）。 原则上，即使使用低功率也可以通过将辐射充分聚焦（集中）到工件上的某个点来实现，但光功率对于使工艺完全工作或实现经济可行的加工速度通常也非常重要。
- 光束质量，量化，例如使用M2因素：这决定了辐射聚焦到小点的难易程度，以及工作距离（激光加工头和光束聚焦之间）的短短。 此外，它还会影响强度曲线的平滑和一致性。 在某些情况下，需要非常干净的高斯光束或高度均匀的平顶梁轮廓。
- 辐射度（通常不准确地称为亮度或亮度）：这是由功率和光束质量的组合产生的，并决定了在给定的光斑尺寸和有限的光束发散下可以达到的光学强度水平。
- 脉冲参数：在许多情况下，使用脉冲激光器，其中脉冲持续时间在不同的应用之间可能有很大差异 - 一种使用飞秒激光器，皮秒激光器，纳秒激光器，在某些情况下使用具有微秒脉冲持续时间的自由运行脉冲激光器。 特别相关的参数是脉冲能量和脉冲持续时间，峰值功率本质上是能量除以持续时间，但受到脉冲形状的一些影响。 脉冲形状本身在某些应用中很重要。 在许多情况下，人们应用规则的脉冲序列，或者有时是脉冲的突发。
根据应用的不同，可以参考其他规格，例如关于激光噪声（例如脉冲能量波动和光束指向波动）。
激光源的光谱带宽（线宽）通常与材料加工无关，因为工件的吸收特性通常在激光的光带宽内不会显着变化，即使它有几纳米宽。
光束传输
可以使用不同类型的光束传输系统。 对于大多在1μm波长区域工作的固态激光器，光缆通常非常方便，因为可以移动输出，而不用关心光缆中间部分的详细位置。 然而，这种电缆需要高度多模才能传输高光功率，这意味着激光源的高光束质量不能用于该过程。 在这方面，关节臂传输系统显然更胜一筹，因为它们或多或少可以保持衍射限制的光束质量。 然而，在这里，人们必须处理更微妙的机械和问题，如机械振动、镜子污染等。
除了光束质量，激光的偏振也很重要。 这可能会也可能不会保留在关节臂系统中，并且通常不会保存在高功率光缆中。
定位系统
通常重要的是将激光束聚焦在工件上，并且在加工操作过程中通常还要适当地移动该位置。 例如，在激光焊接中，需要以适当的速度移动激光光斑，以获得良好的焊接质量和合理的加工速度。
可以同时移动横梁、工件或两者。
根据应用的各种情况，可以仅使用固定激光束移动工件，在固定工件上移动激光束，或以协调方式移动这些物品。 有时，不仅激光加工头，甚至整个激光源都被移动；例如，这是以坚固且不太重的方式完成的一氧化碳2激光器，其中光束传输系统不能任意灵活。 例如，激光器可以安装在可移动的机器人手臂上。
工作距离（加工头和工件之间）需要精确控制，因为光束焦点通常应该在工件表面。 有时，需要通过距离传感器和自动反馈系统主动控制该距离。
更大或更小的工作距离可能是有利的。
在某些情况下，人们更喜欢较大的工作距离，例如为了在大型工件上进行快速远程焊接，同时仅移动光束方向和焦点位置，而不移动重型工件或机器人手臂。 大距离还降低了碎屑损坏加工头光学窗口的风险，因此不需要经常更换窗口。 另一方面，这需要更高的光束质量，对激光源的选择施加了另一个可能严重的限制。 此外，可能需要更大的光学元件，从而增加成本和重量。 人们可能还需要在没有工艺气体的情况下工作，这引入了额外的限制。
防止背反射
特别是金属工件在垂直被光束击中时，可能会产生强烈的光背反射。 当大量的激光被送回光源时，可能会导致严重的问题，从激光操作的不稳定到激光源的完全破坏。 一些放大系统（包含激光放大器，通常在基于光纤的系统中需要）特别敏感。 然而，有些放大器尽管增益很高，但对反射非常不敏感，例如，用于超短脉冲的再生放大器。
在某些情况下，使用非法向光束入射进行加工，导致反射光束的足够好的分离，可能是一种解决方案，但不能总是应用——例如，不适用于垂直于金属表面的钻孔。 然后可能必须使用额外的方法来保护激光源免受背反射光的影响，或者使用不太敏感的光源。 原则上，可以使用法拉第隔离器，但这些隔离器仅适用于有限的功率水平。 这同样适用于适用于某些 CO 的工作原理2激光：将吸收薄膜反射器与相位延迟镜结合使用，后者以双通道有效地将偏振方向旋转 90°，然后前一面镜主要吸收产生的 P 偏振光。
过程监控
不仅对于基础研究，而且在工业应用中，通常非常希望获得尽可能多的工艺条件信息。 例如，这可用于焊接过程，以仔细控制要连接的两件之间的间隙。 还可以监控温度条件和其他各个方面，以便自动控制过程（例如，用于调节运动速度或激光功率）或在检测到任何重大故障时中断过程。
各种设施可用于此类目的，其中一些通常集成到激光加工头中：
- 相机可以直接提供加工区域的图像。 结果数据可以简单地显示在监视器上，记录下来以供以后检查，甚至可以使用适当的图像识别软件自动处理。
- 一个简单的光电探测器，可能配备了合适的光学滤光片，可以给出一些过程指示。 例如，它可以监测激光诱导等离子体的辉光，并在太强或异常弱时发出警告。
- 在某些情况下，可以使用光谱仪来获取更详细的信息。
- 成像与光谱学的结合是高光谱成像，它具有揭示大量细节的最大潜力，但安装和使用它需要更大的努力。
- 另一种强大的方法是高速X射线成像，它可以在科学研究的背景下为内部过程提供有价值的见解。
图 9：用于研究激光焊接和切割过程的高速X射线设备。资料来源：马克斯·科瓦连科，斯图加特斯特拉尔维克泽格研究所。
现代工业激光加工系统包含一台计算机，该计算机从激光系统和加工头收集大量信号。 它可以连续记录此类数据，并将其与参考数据实时比较，以便快速识别可能的问题。 此外，数据可能会被存储起来，以防以后需要排除故障，例如，如果发现过程部件的质量问题。
请注意，性能下降可能有许多不同的原因，例如激光系统的老化、关键光学元件的污染、振动或机械冲击引起的错位、光学器件过热、缺乏供气或工件特性变化。 因此，如果不对各种细节进行广泛监控，识别问题可能相当困难和耗时。
加工结果分析
除了监控过程外，人们还需要仔细分析结果。 一些常用的方法有：
- 用显微镜检查制造零件的表面和各种特征。 即使是微小的表面结构也可以通过合适的显微镜方法揭示。
- 光学轮廓仪适用于精确测量表面浮雕、评估表面粗糙度等。
- 一些重要的内部特征可能不容易进入显微镜检查。 有时需要破坏性方法来创建此类访问。 例如，焊缝通常通过在整个结构中磨削来打开；然后可以非常详细地分析创建的表面。 不幸的是，这种过程不仅具有破坏性，而且耗时。 但是，有时需要它们来检查结果的质量并可能优化过程。
- 还有一些非破坏性成像方法适合揭示足够的特征。 例如X射线成像和超声成像。 例如，可以通过这种方式可靠地揭示装配结构中不需要的空隙。 然而，获得高空间分辨率需要复杂的成像技术。
- 焊接点通常是为了建立可靠的电气连接，在这种情况下，测量电阻可能是合适的。
- 激光表面改性的结果通常可以通过基于反射光的光谱学来检查。
激光危害
在激光材料加工中会遇到各种类型的安全隐患。 最明显的方面是激光安全性，因为所涉及的激光功率通常非常高 - 比失明人所需的功率高几个数量级，而且通常也高到足以对皮肤造成严重伤害。 例如，足以切割厚金属板的东西显然也足以在很短的时间内引起致命或致残的伤害。 根据工业环境中截然不同的情况，需要不同的解决方案来确保激光安全。 通常别无选择，只能在操作过程中将任何人员排除在危险区域之外。 但是，有不同的方法可以实现这一点。
较小的工作区域通常封闭在外壳中，并配有联锁装置，以确保机器只有在所有设备关闭时才能运行，这样就不会有危险的辐射可能离开机器。 然后，操作员仍然可以直接站在机器前，通过窗户控制机器并监控过程。 有了这样的规定，即使机器包含千瓦激光器，它也可以处于激光安全等级I。
在某些情况下，人们可以在某种程度上依靠激光安全眼镜来保护眼睛，但是应该始终如一地使用。 由于这很难可靠地保证，并且对强光束的防护无论如何都是有限的，因此它们通常不是主要的安全措施，而只是几种措施之一，从而提供额外的安全性。
通常，需要将具有明确能力的激光安全官分配到激光制造领域。 也可以从系统供应商那里获得有价值的建议，他们通常在安全隐患和适当的对策方面拥有丰富的经验。
非激光危害
激光加工操作也可能与各种其他类型的危险有关。 一些例子：
- 许多激光器在相当高的电压下工作，足以引起致命的电击。 在恶劣的工业环境中损坏电缆的可能性可能会增加这种风险。 因此，应妥善保护此类电缆。
- 例如，激光切割操作产生的碎屑会导致严重的烧伤，部分原因是其高温。 适当的眼睛保护尤为重要。
- 例如在蒸发聚合物时，会产生有毒的，甚至可能致癌的烟雾。 这些必须有效地从加工区域清除，并使用适当的过滤器或排气系统进行处理。
- 如果操作员在操作过程中有可能与快速移动的机械部件接触，则通常也会产生重大的伤害风险。
取得进一步进展的因素
预计激光材料加工领域将取得实质性的进一步进展，并可能产生一系列不同的发展：
- 某些类型的激光源已经高度优化，进一步改进的潜力有限；他们仍然可以以更低的成本从进一步改进的零件（例如二极管条）中受益。 其他激光器类型仍然可以在性能方面得到实质性改进，同时降低成本。 在超快激光材料加工领域尤其如此。
- 对所涉及的物理过程细节进行科学研究可以确定剩余的问题和合适的解决方案。 在更简单的情况下，这可能意味着激光波长、脉冲持续时间和通量等参数的调整。 然而，方法有时会被非常深刻地修改，例如，通过采用定制的突发模式方案，以最大效率获得最佳结果。 通常，人们正在处理复杂的多参数优化，其中试错法通常不足以获得最佳结果。
- 一个关键方面是对制造要求的详细了解。 最成功的激光加工机械供应商并不是那些最擅长开发激光器的供应商。 他们还需要确定新应用程序的机会、现有应用程序中仍然存在的问题以及各种改进的最可行策略。
- 用于机器控制和高效集成到更大制造环境中的软件也至关重要。 除了软件之外，复杂工作流程的组织对结果的成本、效率和可靠性也有深远的影响。
不同观点的人们之间的密切而富有成效的合作对于进一步的进展至关重要 - 涉及那些开发激光的人，其他人研究加工工艺，还有一些人了解工业制造中的更广泛背景，包括高精度机械，传感，自动化和机器人等技术。
