占地球表面70%的海洋貯藏著寶貴財(cái)富和巨大能量，而人類勘探海洋資源的腳步始終沒(méi)有停止。隨著激光工藝的深入發(fā)展，近年來(lái)業(yè)界也逐漸將海洋應(yīng)用作為關(guān)注點(diǎn)之一。

德國(guó)弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所所長(zhǎng)Christoph Leyens教授對(duì)此表示：未來(lái)，人類必須更多地利用近海儲(chǔ)量，以開(kāi)發(fā)和擴(kuò)大環(huán)保型能源。為此，研究所正在推動(dòng)金屬水下激光加工的新工藝。

Christoph Leyens教授

海上風(fēng)力渦輪機(jī)的基礎(chǔ)、港口保護(hù)系統(tǒng)、鋼板樁、攔河壩、水閘甚至管道，都可以直接在水中加工。另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是拆除廢棄的核反應(yīng)堆，在這種情況下，激光工藝可以在水下輕柔地拆除鋼結(jié)構(gòu)，同時(shí)盡可能少地溶解放射性物質(zhì)。

水下激光切割不銹鋼的演示

水下激光切割需要綠光或藍(lán)光激光。這是因?yàn)殛懮鲜褂玫拈L(zhǎng)波激光在水中散射太強(qiáng)，能量消失非常迅速。相比之下，短波激光在水下仍能保持聚焦。自通快、Coherent高意、Laserline和NUBURU等制造商開(kāi)始提供功率在千瓦范圍內(nèi)的綠光和藍(lán)光激光器以來(lái)，水下激光切割已成為一種高效、低維護(hù)的替代方法，取代以前使用的機(jī)械切割工藝。

Madlen Borkmann博士

研究所激光切割小組經(jīng)理Madlen Borkmann博士談到：我們目前正在對(duì)更厚的材料和更高的激光功率進(jìn)行測(cè)試。與陸上激光切割不同的是，水下激光切割不需要外部氣體供應(yīng)：水將熔融金屬?gòu)那锌谥袛D出。水看似是一種障礙，但卻有利于加工。對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的水下機(jī)器人來(lái)說(shuō)，減輕氣體配置負(fù)擔(dān)是重要的先決條件。

切割、焊接和清潔船體
水下激光加工是漢諾威激光中心（LZH）的重點(diǎn)工作。中心的水下技術(shù)小組在位于漢諾威的水下技術(shù)中心和北海赫爾戈蘭島測(cè)試區(qū)，在用于深海模擬的特殊壓力罐中開(kāi)發(fā)用于海上應(yīng)用的創(chuàng)新激光工藝。

自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊工作示意圖

其中，包括自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊。這是一種可以直接從焊絲卷軸上進(jìn)行連續(xù)激光焊接的工藝。它可以替代現(xiàn)有手工電極焊接工藝，因?yàn)樵谶@種工藝中，電極更換會(huì)經(jīng)常會(huì)中斷浸漬過(guò)程。此外，LZH還在開(kāi)發(fā)用于拆除退役核電站的低污染水下分離工藝。

LZH還與弗勞恩霍夫制造技術(shù)與先進(jìn)材料研究所和Laserline等合作伙伴，共同開(kāi)發(fā)了一種用于清潔船體的環(huán)保型激光工藝。Laserline提供藍(lán)光二極管直接發(fā)射器，用于照射船體并清除貝殼、藻類和其他生物。船體上的污垢不僅會(huì)增加流動(dòng)阻力，從而增加船舶的燃料消耗，而且還會(huì)引入新的物種，威脅當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)。

經(jīng)激光照射的樣品和未經(jīng)激光照射的樣品的結(jié)果

該工藝?yán)枚滩す廨椛錃⑺牢酃福粫?huì)損壞船體涂層。死亡的生物會(huì)在下一次航行時(shí)被水流帶走。有關(guān)于這項(xiàng)工藝的自動(dòng)化系統(tǒng)，目前也已提上日程：激光系統(tǒng)將安裝在磁性履帶上，以便在水下掃描和照射船體。這些履帶通常用于干船塢。目前，該項(xiàng)目正在將該技術(shù)應(yīng)用于水下激光治療。

漢諾威激光中心在展會(huì)上演示水下機(jī)器人激光切割

探測(cè)深海中的原材料
激光還有助于未來(lái)探索深海。迄今為止，巨大的壓力和絕對(duì)的黑暗，阻礙了人類對(duì)深海的探索。事實(shí)上，許多行星的地圖分辨率都高于海洋深處。但光子學(xué)也在這里創(chuàng)造了新的可能性。除其他外，它還與海底原材料的勘探有關(guān)。為此，LZH與萊布尼茨等離子科學(xué)與技術(shù)研究所合作，正進(jìn)一步開(kāi)發(fā)激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）方法。這種分析方法在航空航天和回收利用行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，將高能量的短激光脈沖發(fā)射到材料上，并在其影響下形成等離子體。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜是一種快速化學(xué)分析技術(shù)，利用短激光脈沖在樣品表面產(chǎn)生微等離子體。通過(guò)一組光學(xué)透鏡和光纖收集發(fā)射光

通過(guò)光譜分析，可以確定材料的確切成分。研究小組開(kāi)發(fā)了一種新雙脈沖技術(shù)，以便能夠在深海條件下使用該過(guò)程。第一個(gè)激光脈沖在材料表面產(chǎn)生一個(gè)氣泡，第二個(gè)脈沖將材料蒸發(fā)成等離子體，然后通過(guò)光譜儀讀出等離子體。雖然概念簡(jiǎn)單，但深海的壓力條件使這一過(guò)程變得復(fù)雜。這就需要對(duì)脈沖能量、脈沖持續(xù)時(shí)間和兩個(gè)脈沖之間的距離，進(jìn)行細(xì)致的相互作用，以產(chǎn)生具有適當(dāng)強(qiáng)度、有意義的光譜。

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的一個(gè)研究小組，也在研究深海中的激光誘導(dǎo)等離子體。研究團(tuán)隊(duì)采用了一種不同的方法，在海洋底部的巨大壓力（60MPa）下產(chǎn)生激光誘導(dǎo)等離子體。研究小組將高壓氦氣導(dǎo)入被研究材料的表面。他們?cè)跉怏w中使用高能激光產(chǎn)生有意義的光譜，用于LIBS分析。

作為NERITES項(xiàng)目的一部分，LZH科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種適用于100米水深的緊湊型LIBS系統(tǒng)

研究發(fā)現(xiàn)，在高壓水和氣體環(huán)境中，激光能量的增加有著不同的規(guī)律。等離子體圖像顯示，在高壓氣體中縮短激光傳輸距離可以提高信號(hào)強(qiáng)度。該項(xiàng)目是中國(guó)“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”的一部分，表明了在深?？碧皆牧系膽?zhàn)略重要性。這是因?yàn)樯詈Ｖ刑N(yùn)藏著大量有價(jià)值的礦物和金屬，而這些正是電動(dòng)汽車和可再生能源發(fā)展等所需要的。

未知?jiǎng)游锶汉臀撮_(kāi)發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)
使用LIBS的目的，是使現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析巖石和結(jié)核的物質(zhì)成分成為可能。激光分析可以代替昂貴的潛水機(jī)器人取樣和實(shí)驗(yàn)室分析，或者代替大規(guī)模耙取潛在的原材料，從而有針對(duì)性地、溫和地尋找原材料。因此，開(kāi)采可以僅限于有價(jià)值的區(qū)域。否則，就有可能出現(xiàn)這樣的情況：在人們認(rèn)識(shí)和了解深海生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性之前，它們就已經(jīng)遭到破壞甚至毀滅。

在探索原材料的同時(shí)，研究小組還在努力揭示深海永恒的黑暗，并研究生活在那里的動(dòng)物。為此，他們還使用了激光。在這種情況下，長(zhǎng)波紅光源很有幫助，因?yàn)樯钤谀抢锏膭?dòng)物無(wú)法察覺(jué)。因此，它們不會(huì)受到干擾，研究人員就能觀察和了解它們的自然行為。

Coherent高意為蒙特雷灣水族館研究所的這一項(xiàng)目提供了激光光源。它提供了足夠的光線來(lái)錄制深海視頻和探索生活在那里的生物。其他團(tuán)隊(duì)正在使用拉曼光譜和激光誘導(dǎo)原生熒光（LINF）等光子方法，來(lái)分析不同水深和海底的礦物和有機(jī)懸浮物質(zhì)。

這關(guān)系到對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、相互聯(lián)系和生命物質(zhì)循環(huán)的基本認(rèn)識(shí)。光子學(xué)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。因?yàn)樗梢灾苯釉诂F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)時(shí)分析，節(jié)省了研究人員在選擇性取樣，以及將樣本運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室上的時(shí)間。