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激光器技術的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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

密加工技術的發(fā)展趨勢。激光加工技術在機械工業(yè)中的廣泛應用，促進了激光加工技術向工業(yè)化發(fā)展。為此，介紹了幾種應用較廣泛的激光加工技術；重點討論了激光硬化和激光珩磨技術的應用和發(fā)展趨勢。摘 要 由于在光通信 光數(shù)據(jù)存儲 傳感技術 醫(yī)學等領域的廣泛應用 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的分類;同時介紹了近幾年國內外對于光纖激光器的研究方向及其目前的熱點是高功率光纖激光器、窄線寬可調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. ：結合河北工業(yè)大學光機電一體化研究室近幾年對激光加工技術研究的初步成果，對激光加工技術的特點，激光加工技術在國內外的應用發(fā)展狀況，以及激光加工技術的發(fā)展趨勢進行了簡要介紹，同時分析了我國激光加工產(chǎn)業(yè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)，并提出了應采取的對策

前言

1 概述

激光加工是 20 世紀 60 年代初期興起的一項新技術，此后逐步應用于機械、汽車、航空、電子等行業(yè)，尤以機械行業(yè)的應用發(fā)展速度最快。在機械制造業(yè)中的廣泛使用又推動了激光加工技術的工業(yè)化。 20 世紀 70 年代，美國進行了兩大研究:一是福特汽車公司進行的車身鋼板的激光焊接;二是通用汽車公司進行的動力轉向變速箱內表面的激光淬火。這兩項研究推動了以后的機械制造業(yè)中的激光加工技術的發(fā)展。到了 20 世紀 80 年代后期，激光加工的應用實例有所增加,其中增長最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。這 3 項技術目前已經(jīng)發(fā)展成熟，應用也很廣泛。進入 20 世紀 90 年代后期，激光珩磨技術的出現(xiàn)又將激光微細加工技術在機械加工中的應用翻開了嶄新的一頁。 激光加工技術之所以得到如此廣泛的應用，是因為它與傳統(tǒng)加工技術相比具有很多優(yōu)點：一、是非接觸加工，沒有機械力；二、是可以加工高硬度、高熔點、極脆的難加工材料；三、是加工區(qū)小，熱變形很小，加工質量高；四是與現(xiàn)代數(shù)控機床相結合，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。下面綜合介紹應用比較廣泛的幾種激光加工技術。目前，激光加工技術得到了越來越廣泛的應用，具有非常廣闊的市場前景，在國民經(jīng)濟和工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的作用 [1]

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激光加工的實質是激光將能量傳遞給被加工材料，被加工材料發(fā)生物理或化學變化，從而達到加工的目的．按照激光與被加工工件之間作用機理的不同，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)或控制光化學反應的各種加工過程，亦稱為激光光化學反應加工，如激光刻蝕、激光摻雜、表面氧化等．激光加工技術應用的領域非常廣泛，如機械制造、紡織、醫(yī)療器械、汽車、航天航空、電子電器、電站電機、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)達國家的加工行業(yè)中，已經(jīng)逐步進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)療及激光檢測技術方面美國處于領先地位，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研究雖然與世界先進水平有一定差距，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、以及社會效益上，都取得了重要成就和巨大進步．激光加工技術特點激光具有高亮度、方向性強、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，半導體材料，復合材料等等, 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，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行加工， 與被加工工件不直接接觸， 降低了機械加工慣性和機械變形， 方便了加工． 同時， 還可加工常規(guī)機械加工不能或很難實現(xiàn)的加工工藝， 如內雕、 集成電路打微孔、 硅片的刻劃等．加工質量好，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)機械加工相比，工件熱變

形小、無機械變形，使得加工質量顯著提高；激光可通過光學聚焦鏡聚焦，激光加工光斑非常小，加工

精度很高，如PC 機硬盤高速轉子采用激光平衡技術，其轉子平衡精度可達微米或亞微米級 [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)濟效益高：激光加工與其他加工技術相比可節(jié)省材料10 ~ 30%，可直接節(jié)省材料成本費，且激光加工設備操作維護成本低，對加工費用降低提供了先決條件．激光加工具有優(yōu)越的加工性能，使得激光加工技術得到了廣泛的應用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益．目前已成熟的激光加工技術包括：激光快速成形技術、激光焊接技術、激光打孔技術、激光切割技術、激光打標技術、激光刻蝕技術、激光微調技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、激光熱處理和表面處理技術．下面以幾種常用的加工工藝為例進行簡單的介紹．

激光快速成型技術

激光快速成型技術是上世紀80年代發(fā)展起來的一門高新技術，它是利用激光技術、CAX 技術、自動控制技術和新材料技術，直接造型，快速制造產(chǎn)品模型的一門多學科綜合技術．激光快速成型技術一改傳統(tǒng)加工“去除”成型加工工藝，改為“堆積”成型加工工藝，在加工領域具有劃時代的意義．激光快速成型技術中LOM工藝，是利用CAD模型設計功能和CAM加工制造功能，不需要工程圖紙，將設計模型數(shù)據(jù)直接切片生成加工代碼，快速制造出設計模型樣件或樣機．在新產(chǎn)品開發(fā)設計階段，采用激光快速成型技術可有效縮短設計周期．如河北工業(yè)大學快速成型中心，對某型號汽車除霜管設計制造在一兩天中即可完成，并取得了良好的效果．目前，激光快速成型技術廣泛應用于航空航天、汽車、玩具制造等行業(yè) [6]

激光焊接技術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，大氣壓力下進行不要求保護氣體，不產(chǎn)生X射線，在磁場內不會出現(xiàn)束偏移，更加之該法焊速快、與工件無機械接觸、可焊接磁性材料便于實現(xiàn)遙控等優(yōu)點，尤其可焊高熔點的材料和異種金屬，并且不需要添加材料，因此很快在電子行業(yè)中實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化．激光焊接有兩種基本方式：傳導焊與深熔（小孔）焊．國外利用固體 YAG 激光器進行縫焊和點焊，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現(xiàn)了從點焊向激光焊接的轉變．目前，激光焊接主要應用在汽車行業(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)動機懸架焊接（奧迪轎車）等等 [7]#p#分頁標題#e#

激光打孔技術

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

術，對寶石軸承進行激光打孔．

激光切割技術

自從1967年 Sullivan 和 Houldcroft 首先提出并實現(xiàn)用吹氧氣法進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、可實現(xiàn)眾多復雜零件的切割等優(yōu)點而應用越來越廣．激光切割技術可廣泛應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的重要應用領域．目前，激光切割主要應用在航空航天工業(yè)和汽車制造業(yè)中，如飛機框架、尾翼壁板、飛機主旋翼、汽車車架等切割．

激光打標技術

激光打標技術是激光加工最大的應用領域之一． 激光打標是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種打標方法．激光打標可以打出各種文字、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．準分子激光打標是近年來發(fā)展起來的一項新技術，特別適用于金屬打標，可實現(xiàn)亞微米打標，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域．

激光刻蝕技術

自從首次報道準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分子激光光刻進行了大量研究．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、成像光學系統(tǒng)方面存在極大的困難．而相反，準分子光刻有著明顯的經(jīng)濟性和現(xiàn)實性，它將光學光刻擴展至 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公司將準分子光刻機用于生產(chǎn)線上，商品化的XL-1型193 nm光刻機能獲得0.25 m線寬光刻膠圖形．最近的相移掩模技術，將準分子光刻分辨率提高到0.13 m以下．另一方面，準分子激光直刻有機和無機物材料方面有著獨到之處，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．將準分子光刻裝備進行適合于材料加工的改進，如使掩模及整個光學系統(tǒng)能承受更大激光峰值功率密度，采用高倍率投影物鏡，設計實時殘渣去除系統(tǒng)等等，則非常適于新近迅速發(fā)展起來的微結構、 微機械的加工技術． 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構加工用準分子激光微加工裝備．激光刻蝕技術主要應用在高集成度電路的制作．激光微調技術激光微調主要用于調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械磨蝕法，對薄膜電阻采用電火花燒蝕法，但這種調整法的精度、效率都很低，對工件產(chǎn)生嚴重污染，引起調阻后阻值漂移，改用激光微調則有很大的優(yōu)越性．激光微調的實質是打孔，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．激光微調電阻除用強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構達到調整阻值的目的．激光調阻技術主要應用于精密電阻阻值調解，精度可達0.1‰~ 0.02‰．

激光存儲技術

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

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

息再現(xiàn)的介質．隨著信息技術的發(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的關鍵．

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