激光器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

摘 要:簡述了激光精密加工技術(shù)及其特點(diǎn);綜述了激光精密加工的應(yīng)用現(xiàn)狀; 探討了激光精

密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢。激光加工技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了激光加工技術(shù)向工業(yè)化發(fā)展。為此，介紹了幾種應(yīng)用較廣泛的激光加工技術(shù)；重點(diǎn)討論了激光硬化和激光珩磨技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢。摘 要 由于在光通信 光數(shù)據(jù)存儲 傳感技術(shù) 醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用 近幾年來光纖激光器發(fā)展十分迅速本文簡要介紹了光纖激光器的工作原理及特性,并對 目前多種光纖激光器作了較為詳細(xì)的分類;同時介紹了近幾年國內(nèi)外對于光纖激光器的研究方向及其目前的熱點(diǎn)是高功率光纖激光器、窄線寬可調(diào)諧光纖激光器和超短脈沖光纖激光器;最后指出光纖激光器向高功率、多波長、窄線寬發(fā)展的趨勢. ：結(jié)合河北工業(yè)大學(xué)光機(jī)電一體化研究室近幾年對激光加工技術(shù)研究的初步成果，對激光加工技術(shù)的特點(diǎn)，激光加工技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r，以及激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡要介紹，同時分析了我國激光加工產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，并提出了應(yīng)采取的對策

前言

1 概述

激光加工是 20 世紀(jì) 60 年代初期興起的一項(xiàng)新技術(shù)，此后逐步應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空、電子等行業(yè)，尤以機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展速度最快。在機(jī)械制造業(yè)中的廣泛使用又推動了激光加工技術(shù)的工業(yè)化。 20 世紀(jì) 70 年代，美國進(jìn)行了兩大研究:一是福特汽車公司進(jìn)行的車身鋼板的激光焊接;二是通用汽車公司進(jìn)行的動力轉(zhuǎn)向變速箱內(nèi)表面的激光淬火。這兩項(xiàng)研究推動了以后的機(jī)械制造業(yè)中的激光加工技術(shù)的發(fā)展。到了 20 世紀(jì) 80 年代后期，激光加工的應(yīng)用實(shí)例有所增加,其中增長最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。這 3 項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成熟，應(yīng)用也很廣泛。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代后期，激光珩磨技術(shù)的出現(xiàn)又將激光微細(xì)加工技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用翻開了嶄新的一頁。 激光加工技術(shù)之所以得到如此廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗c傳統(tǒng)加工技術(shù)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：一、是非接觸加工，沒有機(jī)械力；二、是可以加工高硬度、高熔點(diǎn)、極脆的難加工材料；三、是加工區(qū)小，熱變形很小，加工質(zhì)量高；四是與現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床相結(jié)合，使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序簡單、省料及污染少等特點(diǎn)。下面綜合介紹應(yīng)用比較廣泛的幾種激光加工技術(shù)。目前，激光加工技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，具有非常廣闊的市場前景，在國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的作用 [1]

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激光加工的實(shí)質(zhì)是激光將能量傳遞給被加工材料，被加工材料發(fā)生物理或化學(xué)變化，從而達(dá)到加工的目的．按照激光與被加工工件之間作用機(jī)理的不同，可將激光加工分為兩類：一類是激光熱加工，一類是激光冷加工．激光熱加工是指激光作用于加工工件表面所引起的快速熱效應(yīng)的各種加工過程，如激光焊接、激光打孔、激光切割等；激光冷加工是指激光借助高能量高密度光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的各種加工過程，亦稱為激光光化學(xué)反應(yīng)加工，如激光刻蝕、激光摻雜、表面氧化等．激光加工技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，如機(jī)械制造、紡織、醫(yī)療器械、汽車、航天航空、電子電器、電站電機(jī)、量具刃具、冶金、化工、包裝、測量、建筑以及工藝裝飾等行業(yè) [3]．在發(fā)達(dá)國家的加工行業(yè)中，已經(jīng)逐步進(jìn)入了激光加工的時代．日本的激光加工已經(jīng)占到整個加工業(yè)的 10%以上；在激光醫(yī)療及激光檢測技術(shù)方面美國處于領(lǐng)先地位，美國也是最早將高功率激光器引入汽車工業(yè)的國家；在激光材料加工設(shè)備方面，德國走在了世界前列．據(jù)統(tǒng)計，全球現(xiàn)在有激光加工站 5 000 多家，主要分布在美國、日本和歐洲．我國的激光加工技術(shù)研究雖然與世界先進(jìn)水平有一定差距，但起步也并不晚，1961年就研制成功第一臺紅寶石激光器．但激光加工技術(shù)真正得到長足發(fā)展，還是在改革開放以后．發(fā)展較快的地區(qū)是湖北、北京、上海等省市．以激光為特色的光電子信息產(chǎn)業(yè)，作為一支產(chǎn)業(yè)新軍迅速崛起．不論從科技、經(jīng)濟(jì)、以及社會效益上，都取得了重要成就和巨大進(jìn)步．激光加工技術(shù)特點(diǎn)激光具有高亮度、方向性強(qiáng)、單色性好、相干性好、空間控制和時間控制性好等優(yōu)越性能，容易獲得超短脈沖和小尺寸光斑，能夠產(chǎn)生極高的能量密度和功率密度，幾乎能加工所有的材料，例如，塑料，陶瓷，玻璃，金屬，半導(dǎo)體材料，復(fù)合材料等等, 以及生物 / 醫(yī)用材料，特別適用于加工自動化，而且對被加工材料的形狀、尺寸和加工環(huán)境要求很低．激光加工具有很多優(yōu)點(diǎn)，如下所述．激光加工屬無接觸加工[1]： 激光加工是通過激光光束進(jìn)行加工， 與被加工工件不直接接觸， 降低了機(jī)械加工慣性和機(jī)械變形， 方便了加工． 同時， 還可加工常規(guī)機(jī)械加工不能或很難實(shí)現(xiàn)的加工工藝， 如內(nèi)雕、 集成電路打微孔、 硅片的刻劃等．加工質(zhì)量好，加工精度高：由于激光能量密度高可瞬時完成加工，與傳統(tǒng)機(jī)械加工相比，工件熱變

形小、無機(jī)械變形，使得加工質(zhì)量顯著提高；激光可通過光學(xué)聚焦鏡聚焦，激光加工光斑非常小，加工

精度很高，如PC 機(jī)硬盤高速轉(zhuǎn)子采用激光平衡技術(shù)，其轉(zhuǎn)子平衡精度可達(dá)微米或亞微米級 [5]

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加工效率高：激光切割可比常規(guī)機(jī)械切割提高加工效率幾十倍甚至上百倍；激光打孔特別是微孔可

比常規(guī)機(jī)械打孔提高效率幾十倍至上千倍；激光焊接比常規(guī)焊接提高效率幾十倍；激光調(diào)阻可提高效率

上千倍，且精度亦顯著提高；

材料利用率高，經(jīng)濟(jì)效益高：激光加工與其他加工技術(shù)相比可節(jié)省材料10 ~ 30%，可直接節(jié)省材料成本費(fèi)，且激光加工設(shè)備操作維護(hù)成本低，對加工費(fèi)用降低提供了先決條件．激光加工具有優(yōu)越的加工性能，使得激光加工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益．目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光刻蝕技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)．下面以幾種常用的加工工藝為例進(jìn)行簡單的介紹．

激光快速成型技術(shù)

激光快速成型技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一門高新技術(shù)，它是利用激光技術(shù)、CAX 技術(shù)、自動控制技術(shù)和新材料技術(shù)，直接造型，快速制造產(chǎn)品模型的一門多學(xué)科綜合技術(shù)．激光快速成型技術(shù)一改傳統(tǒng)加工“去除”成型加工工藝，改為“堆積”成型加工工藝，在加工領(lǐng)域具有劃時代的意義．激光快速成型技術(shù)中LOM工藝，是利用CAD模型設(shè)計功能和CAM加工制造功能，不需要工程圖紙，將設(shè)計模型數(shù)據(jù)直接切片生成加工代碼，快速制造出設(shè)計模型樣件或樣機(jī)．在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計階段，采用激光快速成型技術(shù)可有效縮短設(shè)計周期．如河北工業(yè)大學(xué)快速成型中心，對某型號汽車除霜管設(shè)計制造在一兩天中即可完成，并取得了良好的效果．目前，激光快速成型技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、玩具制造等行業(yè) [6]

激光焊接技術(shù)激光焊接是利用高能量激光束照射焊接工件，工件受熱融化，然后冷卻得到焊接的目的．激光焊接的顯著特征是大熔、焊道、小熱影響區(qū)，以及高功率密度，大氣壓力下進(jìn)行不要求保護(hù)氣體，不產(chǎn)生X射線，在磁場內(nèi)不會出現(xiàn)束偏移，更加之該法焊速快、與工件無機(jī)械接觸、可焊接磁性材料便于實(shí)現(xiàn)遙控等優(yōu)點(diǎn)，尤其可焊高熔點(diǎn)的材料和異種金屬，并且不需要添加材料，因此很快在電子行業(yè)中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化．激光焊接有兩種基本方式：傳導(dǎo)焊與深熔（小孔）焊．國外利用固體 YAG 激光器進(jìn)行縫焊和點(diǎn)焊，已有很高的水平．另外，用激光焊接印刷電路的引出線，不需要使用焊劑，并可減少熱沖擊，對電路管芯無影響．日本自 90 年代以來，在電子行業(yè)的精密焊接方面已實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)焊向激光焊接的轉(zhuǎn)變．目前，激光焊接主要應(yīng)用在汽車行業(yè)，如汽車車身的焊接（美國福特汽車公司，日本本田、尼桑汽車公司等） ，底板焊接（西德大眾） ，發(fā)動機(jī)懸架焊接（奧迪轎車）等等 [7]#p#分頁標(biāo)題#e#

激光打孔技術(shù)

激光打孔技術(shù)具有精度高、通用性強(qiáng)、效率高、成本低和綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一．激光打孔在微細(xì)孔加工中的應(yīng)用，解決了一些傳統(tǒng)機(jī)械加工不能解決的難題，為微孔加工提供了先進(jìn)的加工手段．在上世紀(jì) 90年代，激光打孔技術(shù)就朝著多樣化、高速度、高精度、直徑更微小的方向發(fā)展．例如在飛機(jī)機(jī)翼上打 5萬個直徑為0.064 mm 的小孔，可以大大減小氣流對飛機(jī)的阻力，取得節(jié)油 40%的良好效果．我國從上世紀(jì) 60 年代開始在鐘表行業(yè)中使用激光加工技

術(shù)，對寶石軸承進(jìn)行激光打孔．

激光切割技術(shù)

自從1967年 Sullivan 和 Houldcroft 首先提出并實(shí)現(xiàn)用吹氧氣法進(jìn)行金屬激光切割以來，激光切割以其切割范圍廣、切割速度高、切縫窄、切割面粗糙度低、熱影響區(qū)域小、加工柔性好、可實(shí)現(xiàn)眾多復(fù)雜零件的切割等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用越來越廣．激光切割技術(shù)可廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量．脈沖激光適用于金屬材料，連續(xù)激光適用于非金屬材料，后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域．目前，激光切割主要應(yīng)用在航空航天工業(yè)和汽車制造業(yè)中，如飛機(jī)框架、尾翼壁板、飛機(jī)主旋翼、汽車車架等切割．

激光打標(biāo)技術(shù)

激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一． 激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法．激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米量到微米量級，這對產(chǎn)品的防偽有特殊的意義．準(zhǔn)分子激光打標(biāo)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，特別適用于金屬打標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)亞微米打標(biāo)，目前，廣泛用于微電子工業(yè)、生物工程、食品包裝和防偽鑒別等領(lǐng)域．

激光刻蝕技術(shù)

自從首次報道準(zhǔn)分子激光能獲得快速、高分辨光刻以來，人們在八十年代即對準(zhǔn)分子激光光刻進(jìn)行了大量研究．盡管電子束、X射線、離子束具有更短的波長，在提高分辨率方面有更多好處，但曝光源、掩模、抗蝕劑、成像光學(xué)系統(tǒng)方面存在極大的困難．而相反，準(zhǔn)分子光刻有著明顯的經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)實(shí)性，它將光學(xué)光刻擴(kuò)展至 DUV 和 VUV，其高功率大大縮短了基片曝光時間，分辨率易獲得亞微米線寬，掩模和抗蝕劑問題易解決．1992 年美國IBM公司將準(zhǔn)分子光刻機(jī)用于生產(chǎn)線上，商品化的XL-1型193 nm光刻機(jī)能獲得0.25 m線寬光刻膠圖形．最近的相移掩模技術(shù)，將準(zhǔn)分子光刻分辨率提高到0.13 m以下．另一方面，準(zhǔn)分子激光直刻有機(jī)和無機(jī)物材料方面有著獨(dú)到之處，單脈沖去除深度在0.05 ~ 0.1 m 之間，這使得通過簡單的脈沖計數(shù)即可獲得高精密切削．將準(zhǔn)分子光刻裝備進(jìn)行適合于材料加工的改進(jìn)，如使掩模及整個光學(xué)系統(tǒng)能承受更大激光峰值功率密度，采用高倍率投影物鏡，設(shè)計實(shí)時殘?jiān)コ到y(tǒng)等等，則非常適于新近迅速發(fā)展起來的微結(jié)構(gòu)、 微機(jī)械的加工技術(shù)． 目前，英國Exitech公司，德國Microlas公司，日本浜松光子公司先后推出了商品化微結(jié)構(gòu)加工用準(zhǔn)分子激光微加工裝備．激光刻蝕技術(shù)主要應(yīng)用在高集成度電路的制作．激光微調(diào)技術(shù)激光微調(diào)主要用于調(diào)整厚膜電路或薄膜電路中的電阻、電容以及其他多種功能參數(shù)．激光調(diào)阻時，受到照射的部位受熱汽化揮發(fā)，阻值區(qū)域截面面積減小，隨之阻值增大．過去對厚膜電阻采用機(jī)械磨蝕法，對薄膜電阻采用電火花燒蝕法，但這種調(diào)整法的精度、效率都很低，對工件產(chǎn)生嚴(yán)重污染，引起調(diào)阻后阻值漂移，改用激光微調(diào)則有很大的優(yōu)越性．激光微調(diào)的實(shí)質(zhì)是打孔，每次打孔都很淺，約至幾十納米至幾十微米之間，然后通過連續(xù)不斷的打孔，搭接成一條線．激光微調(diào)電阻除用強(qiáng)光照射將部分電阻膜氣化外，還可通過無損傷照射改變膜的結(jié)構(gòu)達(dá)到調(diào)整阻值的目的．激光調(diào)阻技術(shù)主要應(yīng)用于精密電阻阻值調(diào)解，精度可達(dá)0.1‰~ 0.02‰．

激光存儲技術(shù)

光存儲是最早預(yù)見的激光應(yīng)用領(lǐng)域之一，激光存儲技術(shù)是信息以反射/非反射帶（正常表面和凹坑）

的序列編碼，已達(dá)到信息存儲的目的．目前，計算機(jī)所用的可寫 CD-ROM 就是一種激光信息存儲和信

息再現(xiàn)的介質(zhì)．隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對信息存儲的要求越來越高，數(shù)字視頻光盤（DVD）是下一代光

存儲器，其存儲能力是 CD-ROM 的7 倍．因數(shù)據(jù)存儲密度與激光波長的平方成反比，所以，發(fā)展波長

更短的激光是提高激光存儲技術(shù)的關(guān)鍵．

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