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作者

賈賢石，羅金林，李凱，王聰，李洲，王猛猛，Zhengyi Jiang, Vadim P. Veiko，段吉安

機構

中南大學，北京理工大學，University of Wollongong，ITMO University

Citation

Jia X S, Luo J L, Li K, Wang C, Li Z, Wang M M, Jiang Z Y, Veiko V P, Duan J A. 2025. Ultrafast laser welding of transparent materials: from principles to applications. Int. J. Extrem. Manuf.7032001.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ada7a7

撰稿 | 文章作者

1 /IJEM

文章導讀

超快激光焊接技術作為一種前沿的材料加工方法，已廣泛應用于微電子、光學及航空航天等領域，其核心優勢在于能夠通過超快激光在極短的時間內提供精確的能量控制，實現透明材料的選區融化與高性能連接。然而，盡管超快激光焊接技術具有顯著的潛力，但要實現大尺寸、高強度、高穩定性的焊接性能，仍需克服材料多樣性、過程控制、缺陷監測與修復等方面的挑戰。

近期，中南大學機電工程學院的段吉安教授、王聰教授、李洲副教授團隊與北京理工大學王猛猛副研究員、University of Wollongong的Zhengyi Jiang教授、ITMO University的Vadim P. Veiko教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing）上共同發表綜述論文《透明材料超快激光焊接進展：從機理到應用》，中南大學機電工程學院賈賢石為論文第一作者。論文系統闡述了同質/異質材料超快激光焊接的前沿機理與創新方法，重點剖析了透明/金屬異質材料超快激光焊接面臨的復雜難題與挑戰，從時空整形與原位監測等方面給出了全新的視角與方法論，并展望了超快激光焊接技術在基礎科學和工業生產中的廣闊應用前景。

關鍵詞

超快激光，焊接，透明材料，時空整形

亮點

1. 闡述了同質/異質材料超快激光焊接的前沿機理與創新方法。

2. 剖析了透明/金屬異質材料超快激光焊接面臨的復雜難題與挑戰。

3. 探討了時空整形與原位監測技術在超快激光焊接中的應用進展。

4. 討論了透明材料超快激光焊接技術的優勢、挑戰和未來展望。

圖1 超快激光焊接技術的應用綜述。

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研究背景

超快激光與物質相互作用的研究驅動了前沿科學探索與高端制造技術的革新。其中，超快激光焊接技術憑借其非線性能量沉積機制與微區、選區作用特征，可實現透明材料的精準連接，突破了玻璃材料焊接工藝的瓶頸，為航空航天、光機系統、智能傳感、微流控芯片等領域提供了顛覆性制造方案，賦能未來智能制造與精密工程的持續發展。

近年來，超快激光焊接技術在多個關鍵研究方向取得重要突破，實現了從光學接觸焊接向非光學接觸焊接的跨越，并拓展至多種透明-金屬異質材料的高性能連接，為異質材料焊接提供了全新策略。本文系統梳理了透明材料超快激光焊接的基本原理、關鍵技術演進及多領域應用進展，并圍繞時空整形、原位監測與診斷等前沿技術，對其未來發展趨勢進行了深入探討。

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最新進展

圖2超快激光焊接技術的發展現狀。

近年來，超快激光焊接技術在透明材料、異質透明材料及透明/金屬異質材料焊接方面取得顯著突破（圖1）。透明材料焊接強度已達母材斷裂強度的96%（約90 MPa），異質透明材料焊接強度最高突破200 MPa，而透明/金屬異質材料焊接在光學接觸條件下高達108 MPa，非光學接觸條件目前可實現的強度仍然受限。此外，超快激光焊接技術還推動了金屬-金屬及陶瓷-陶瓷焊接，實現焊接強度達175 MPa 的SST-Al和SST-Mg異種金屬焊接。借助高重復率激光調控、時空整形等先進策略，超快激光焊接正朝著高強度、大面積、高穩定性方向邁進，推動其在高精度制造、先進功能材料集成等前沿領域的廣泛應用。

圖3非光學接觸異質材料焊接機理研究進展。

透明/金屬異質材料超快激光焊接機理研究發現，異質材料焊接主要依賴于金屬的線性吸收及其等離子體動力學過程（圖3）。在光學接觸條件下，高密度等離子體在受限空間中形成，驅動金屬與透明材料同步熔化并實現結合，而在非光學接觸模式下，等離子體的非受限膨脹及其冷卻形成的納米顆粒主導界面填充。此外，焦點預補償技術、mJ級別高能飛秒成絲技術、金屬納米顆粒輔助等離子焊接技術等為增強異質材料結合提供了新策略。焊接質量受等離子體演化機制、材料吸收特性及界面能量傳輸的深度耦合作用影響，未來研究將進一步拓展多類型透明/金屬異質材料的焊接策略，以推動超快激光焊接技術的性能優化與應用拓展。

圖4超快激光時空整形焊接新進展。

超快激光焊接機理研究的深化凸顯了激光參數（如重復頻率、脈沖能量等）對焊接性能的決定性影響。調控這些參數以優化熔融體積及其分布，被視為提升焊接質量的核心策略。電子動態調控等方法成為優化焊接的前沿手段，通過時空域激光參數調制，如時間整形（雙脈沖、Burst模式）和空間整形（貝塞爾光束、平頂光束）（圖4），實現激光吸收增強與焊接缺陷抑制等。這些進展不僅深化了對激光-電子相互作用及等離子體演化的理解，也為高穩定性、高強度的超快激光焊接技術提供了理論支撐與優化路徑。

圖5超快激光焊接原位檢測研究新進展。

在超快激光焊接性能評估方面，傳統方法主要通過焊接強度來評估焊接質量，無法有效揭示焊接過程中的瞬態特征，難以實現焊接性能的實時調控。為此，出現了多種新的實時監測技術，如光學相干斷層掃描、泵浦-探測技術、高速陰影成像和等離子體強度檢測等。這些技術能夠精確捕捉熔池結構的變化，并實時監測等離子體強度的變化，從而有效識別焊接缺陷。通過綜合應用這些方法，可以為超快激光焊接過程提供更加精準和實時的監控，推動該技術在工業應用中的發展。

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總結與展望

隨著超快激光焊接技術的不斷進步，特別是在時空整形技術和原位檢測方法的協同創新下，該領域正迎來前所未有的發展機遇。通過對激光-物質相互作用的深入研究，未來的研究將聚焦于異質材料超快激光焊接機制、焊接性能調控、過程優化和新型應用方面的探索。此外，機器學習技術的引入有望為焊接過程的實時優化和缺陷檢測提供智能化解決方案，進一步提升焊接質量和效率。相信隨著核心技術的不斷突破，超快激光焊接技術將在精密制造及高性能設備設計等領域展現出更加廣闊的應用前景。

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作者與團隊簡介

段吉安

中南大學

段吉安，中南大學機電工程學院院長，極端服役性能精準制造全國重點實驗室主任，國家高層次人才，教育部創新團隊帶頭人；教育部第七屆科技委學部委員，國務院學位委員會機械學科評議組成員；中國機械工程學會微納米技術分會委員。長期從事光電子器件制造、超快激光制造等方面研究。承擔國家重點研發計劃、973、863、國家自然科學基金重點項目等國家項目10余項。研發了陣列型、同軸型、碟型、BOX型、COB型等光電子器件的亞微米精度耦合封裝工藝與設備，廣泛應用于光電子器件制造企業并出口多個國家；研制了大功率激光器耦合封裝的成套裝備與工藝，廣泛應用于光纖激光器制造企業；開發了一體化光學構件的超快激光制造技術與裝備。獲湖南省技術發明一等獎、科技進步一等獎各1項。發表SCI/EI論文150余篇，授權國家發明專利100余項。

賈賢石

中南大學

賈賢石，中南大學機電工程學院講師、碩導，主要研究方向為激光與物質相互作用機理。主持國家自然科學基金、基礎科研計劃項目等，參與國家重點研發計劃項目等；作為主要完成人，獲中國光學工程學會自然科學獎；以第一/通訊作者在《Int. J. Extreme Manuf.》《J. Manuf. Processes》《Appl. Surf. Sci.》《Knowl. Based Syst.》等國際期刊發表論文40余篇，入選ESI高被引論文3篇；申請/授權國家發明專利26項，授權11項；擔任《Nanomaterials》《Photonics》等國期刊主題編輯，擔任《Nat. Commun.》《Acta Mater.》等期刊審稿人等。

王猛猛

北京理工大學

王猛猛，北京理工大學副教授，主要研究方向為飛秒激光時空整形智能制造與多尺度觀測。主持科技委重點項目課題 、國家重點研發計劃項目子任務、博士后創新研究計劃項目等，參與國家自然科學基金重大研究計劃項目等。獲廣東省科學技術進步一等獎，在光學及物理領域發表 SCI 論文 33 篇，受邀在美國光學工程學會(SPIE)、 美國材料學會(MRS)、國際材料科學與技術會議(CCMST)做學術匯報5次。

王聰

中南大學

王聰，中南大學機電工程學院教授、博導，師從姜瀾院士，主要研究方向為超快激光微納制造。主持國家重點研發計劃項目課題、國家自然科學基金等項目。湖南省優秀青年科學基金獲得者、芙蓉計劃“湖湘青年英才”、青年科技人才，獲中國光學工程學會自然科學獎、中國電子科技集團技術進步獎、“上銀優博”銅獎等獎勵。以第一/通訊作者在《Int. J. Extreme Manuf.》《Mat. Sci. Eng. R》《Adv. Funct. Mater.》等國際著名期刊上發表SCI論文50余篇，入選ESI高被引論文6篇、封面論文2篇；申請/授權國家發明專利32項、軟件著作權6項；特邀報告7次。擔任中國工程院機械與運載工程學部評估咨詢專家、“增材制造與激光制造”重點專項青年專家；擔任《Nanomaterials》《Photonics》《Current Physics》等國際主流期刊編輯委員會委員、評審/客座編輯等。

IJEM

激光粉末床熔融（LPBF）中飛濺與凹陷區的動態聯系

基于飛秒激光打印光熱微壁的多功能形狀記憶智能窗

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領軍期刊。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

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