從原理上說(shuō)，
激光能適應(yīng)任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特別場(chǎng)合和特種材料的加工制造方面起著無(wú)可替代的作用。本文綜合評(píng)述了激光制造系統(tǒng)的發(fā)展以及激光制造技術(shù)在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中的地位。在分析國(guó)外研究動(dòng)向的基礎(chǔ)上，指出激光制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將重點(diǎn)定位在微結(jié)構(gòu)、微刻蝕、微工具以及多功能性微技術(shù)、微工程的研究與開(kāi)發(fā)上�？梢灶A(yù)測(cè)，三維微納尺度的激光微制造技術(shù)必將成為新世紀(jì)的主流制造技術(shù)。
n9fA!Wic nEcd+7( 前 言
a:^ Gr% f3>6:( 自1960年第一臺(tái)
激光器問(wèn)世以來(lái)，激光的研究及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。其高相干性在高精密測(cè)量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、信息存儲(chǔ)及通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光的高單色性，可在光化學(xué)領(lǐng)域?qū)σ恍┫嗑嗪芙哪芗?jí)作選擇激發(fā)，進(jìn)行重金屬的同位素分離；激光的高方向性和高亮度可廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)（大到航天器、飛機(jī)、汽車(chē)工業(yè)，小到微電子、信息、生物細(xì)胞分離等微技術(shù)）。隨著激光器件、新型受激輻射
光源，以及相應(yīng)工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近20年來(lái)，激光制造技術(shù)已滲入到諸多高新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，并開(kāi)始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工行業(yè)。(剖析主流資金真實(shí)目的，發(fā)現(xiàn)最佳獲利機(jī)會(huì)！)
R{KIkv nC.2./OwMf 激光制造技術(shù)包含兩方面的內(nèi)容，一是制造激光光源的技術(shù)，二是利用激光作為工具的制造技術(shù)。前者為制造業(yè)提供性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠的激光器以及加工系統(tǒng)，后者利用前者進(jìn)行各種加工和制造，為激光系統(tǒng)的不斷發(fā)展提供廣闊的應(yīng)用空間。兩者是激光制造技術(shù)中不可或缺的環(huán)節(jié)，不可偏廢。激光制造技術(shù)具有許多傳統(tǒng)制造技術(shù)所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，是一種符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色制造技術(shù)。例如，材料浪費(fèi)少，在大規(guī)模生產(chǎn)中制造成本低；根據(jù)生產(chǎn)流程進(jìn)行編程控制（自動(dòng)化），在大規(guī)模制造中生產(chǎn)效率高；可接近或達(dá)到“冷”加工狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)技術(shù)不能執(zhí)行的高精密制造；對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)，且不受電磁干擾，對(duì)制造工具和生產(chǎn)環(huán)境的要求低；噪聲低，不產(chǎn)生任何有害的射線(xiàn)與殘剩，生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染小等等。因此，為適應(yīng)21世紀(jì)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿(mǎn)足宏觀與微觀制造的需要，研究和開(kāi)發(fā)高性能光源勢(shì)在必行。目前正在積極研制超紫外、超短脈沖、超大功率、高光束質(zhì)量等特征的激光，尤其是能適應(yīng)微制造技術(shù)要求的激光光源更是倍受關(guān)注，并已形成國(guó)際性競(jìng)爭(zhēng)�？梢灶A(yù)言，激光制造技術(shù)必將以其無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)成為21世紀(jì)迅速普及的高新技術(shù)。
;(0$~O$3u F@'rP++4 1 激光制造系統(tǒng)發(fā)展
#iU8hUbo bd
P,Zqd 用于制造業(yè)中的激光系統(tǒng)即激光制造系統(tǒng)，一般由激光器、激光傳輸系統(tǒng)、激光聚焦系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、傳感與檢測(cè)系統(tǒng)組成，其核心為激光器。
!5SQN5K <eFAI} =s 激光作為熱源或光源（能量）是激光制造中的“刀具”或“工具”。該“刀具”或“工具”的質(zhì)量直接影響著加工制造的結(jié)果。激光光束質(zhì)量的好壞可以采用光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角、光束聚焦特征參數(shù)值Kf和衍射極限倍因子M2(M)或光束傳輸因子K值來(lái)表示。對(duì)小功率激光器，工作物質(zhì)均勻穩(wěn)定，一般可以實(shí)現(xiàn)基模輸出，其光束橫截面能量分布為高斯分布，且在傳輸過(guò)程中保持不變，光束質(zhì)量較好；對(duì)于大功率激光器，一般不易得到基模輸出，輸出的往往為多模激光束，激光光束質(zhì)量變差（如圖1）。目前工業(yè)上常用的大功率激光器有CO2激光器和YAG激光器兩種。大功率激光器的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域很廣，激光切割、激光焊接都需要優(yōu)良的光束質(zhì)量，而追求高光束質(zhì)量的大功率激光是工業(yè)用激光器不斷發(fā)展的目標(biāo)。
Y{2d4VoW6 5h=TV 從1964年第一臺(tái)CO2激光器出現(xiàn)到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展，從封離式CO2激光器、慢速軸流CO2激光器、橫流CO2激光器，到高頻羅茲泵型快速軸流、射頻turbo型快速軸流以至目前出現(xiàn)的擴(kuò)散型Slab CO2激光器的發(fā)展中可以看到,一方面激光輸出功率不斷提高，體積不斷縮小，另一方面激光器的效率不斷提高，光束質(zhì)量越來(lái)越好。擴(kuò)散型Slab CO2激光器光束橫截面上光強(qiáng)分布接近高斯分布（如圖2），具有極好的光束質(zhì)量，在加大的
激光加工工作區(qū)焦點(diǎn)的漂移很小，非常有利于大范圍激光傳輸與聚集，這對(duì)大尺寸工件的切割應(yīng)用非常重要。
q(tG bhQ OC>_=i$ ' 工業(yè)用固體YAG激光器也經(jīng)歷了從小功率燈泵浦（棒狀）、燈泵浦（板條）、雙燈泵浦（多棒）到
光纖泵浦（棒狀）、半導(dǎo)體泵浦（棒狀）和片狀固體激光器的過(guò)程。由于受工作物質(zhì)熱物理性質(zhì)的制約，YAG激光光束質(zhì)量模式相對(duì)較差。如何提高光束質(zhì)量和激光功率，仍是YAG激光器面臨的主要問(wèn)題。
\pD=Lv9 g_U~.?Db7 值得注意的是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器具有小型化、頻率極高、與光纖良好耦合、易于調(diào)制等優(yōu)良特性，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。
~& WN)r'4y n$|c{2]= 要在不同產(chǎn)業(yè)中廣泛應(yīng)用激光制造技術(shù)，很大程度上要依賴(lài)于激光加工系統(tǒng)的性能與工藝。歐、美、日一些國(guó)家在新光源、加工系統(tǒng)及工藝等方面的研究與開(kāi)發(fā)就從未降溫過(guò)。隨著激光工作物質(zhì)的研究與開(kāi)發(fā)、器件與單元技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新，以高性能、寬波段、大功率為特征的激光取得了蓬勃的發(fā)展，如紫外光輸出的KrF、ArF準(zhǔn)分子激光器、倍頻激光器等。尤其是高功率光纖激光的出現(xiàn)，使激光制造的移動(dòng)式定位加工變得更加便利。
]v\egfW,W 46P6Bwobh 2 激光制造技術(shù)應(yīng)用
SM#S/|.] ^0tf 1pV2 激光制造技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，其突出的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
K _+;"G i$^B- （1）特種材料特殊要求的加工
X*9N[#wu6 SM /ykk 激光焊接與大多數(shù)傳統(tǒng)的焊接方法相比具有突出的優(yōu)點(diǎn)。激光能量的高度集中和加熱、冷卻過(guò)程的極其迅速，可破壞一些難熔金屬表面的應(yīng)力閾值，或使高導(dǎo)熱系數(shù)和高熔點(diǎn)金屬快速熔化，完成某些特種金屬或合金材料的焊接，而且在激光焊接過(guò)程中無(wú)機(jī)械接觸，容易保證焊接部位不因熱壓縮而變形，還排除了無(wú)關(guān)物質(zhì)落入焊接部位的可能；如果采用大焦深的激光系統(tǒng)，還可實(shí)現(xiàn)特殊場(chǎng)合下的焊接，比如，由軟件控制的需隔離的遠(yuǎn)距離在線(xiàn)焊接、高精密防污染的真空環(huán)境焊接等；在不發(fā)生材料表面蒸發(fā)的情況下可熔化最大數(shù)量的物質(zhì)，達(dá)到高質(zhì)量的焊接。以上特點(diǎn)是傳統(tǒng)的焊接工具與方法很難或完全不能做到的。目前，在汽車(chē)、國(guó)防、航空航天等一些特殊行業(yè)，已普遍采用激光焊接技術(shù)2。例如歐洲一些國(guó)家，對(duì)高檔汽車(chē)車(chē)殼與底座、飛機(jī)機(jī)翼、航天器機(jī)身等一些特種材料的焊接，激光的應(yīng)用已基本取代了傳統(tǒng)的焊接工具和方法。
-llx: dbuJ~ ?D, （2）特殊精度的加工制造
|*c \6 : 7kX$wQZ_ 這里指的高精度除通常意義下的精確定位外，主要還體現(xiàn)在材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)效應(yīng)量級(jí)上的控制。激光的顯著特點(diǎn)之一，就是可采取連續(xù)和脈沖方式輸出。以固體的鉆孔與切割為例，激光能量高度集中，以及加熱、冷卻速度快的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)達(dá)到的普遍要求，加工屬熱化學(xué)過(guò)程。這里要突出的是，通過(guò)脈沖式激光輻射可達(dá)到接近“冷”加工的光化學(xué)動(dòng)力過(guò)程。一方面選擇脈沖的時(shí)間寬度，使得材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)過(guò)程和熱化學(xué)反應(yīng)來(lái)不及發(fā)生；另一方面通過(guò)控制激光的功率密度和脈沖計(jì)數(shù)，按要求達(dá)到確定的去除深度，從而實(shí)現(xiàn)高精度的“線(xiàn)”切割和“點(diǎn)”鉆孔加工。歐美一些國(guó)家在許多特殊要求的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)中已普遍采用這種脈沖光制造技術(shù)。
cI%"Ynq"3 zIm_7\e （3）微細(xì)加工制造
vG<pc_ak 7Cd_zZ 激光微細(xì)加工技術(shù)最成功的應(yīng)用是在20世紀(jì)后半葉發(fā)展起來(lái)的微電子學(xué)領(lǐng)域。激光微細(xì)加工作為微電子集成工藝中的單元微加工技術(shù)之一，現(xiàn)已形成固定模式并投入規(guī)�；a(chǎn)中。除此之外，能突顯其優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域還有精密
光學(xué)儀器的制造、高密度信息的寫(xiě)入存儲(chǔ)、生物細(xì)胞組織的醫(yī)療等。選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的激光，通過(guò)各種優(yōu)化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統(tǒng)，獲得高質(zhì)量光束、高穩(wěn)定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性，進(jìn)行高密微痕的刻制、高密信息的直寫(xiě)；也可利用其光阱的“力”效應(yīng)，進(jìn)行微小透明球狀物的夾持操作。例如，高精密光柵的刻制（精密光刻）；通過(guò)CAD/CAM軟件進(jìn)行仿真圖案（或文字）和控制，實(shí)現(xiàn)高保真打標(biāo)；利用光阱的“束縛力”，對(duì)生物細(xì)胞執(zhí)行移動(dòng)操作（生物光鑷）。值得一提的是，高密度信息的激光記錄和微細(xì)機(jī)械零部件的光制造。無(wú)論是數(shù)字記錄或是掃描記錄，還是圖像與文字的模擬記錄，激光記錄方法(光刻)都具有特別的優(yōu)勢(shì)并取得了重要突破，以數(shù)字記錄為例：①信息記錄密度高（107～108bit/cm2以上），刻錄槽寬0.7μm、深0.1μm，比磁記錄密度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上；②記錄、檢索、讀出速度快，單波道達(dá)50Mbit/s，多波道可達(dá)320Mbit/s；信息的檢索和讀出速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒；③成本低、使用壽命長(zhǎng)。在微細(xì)機(jī)械零部件的光制造方面，最近幾年國(guó)外已將其列為攻關(guān)項(xiàng)目，成為未來(lái)高新技術(shù)前期研究的熱點(diǎn)。日本采用激光技術(shù)，制造出微米量級(jí)的三維“納米�！�，這說(shuō)明日本在微納量級(jí)的三維激光微成型機(jī)制上已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院應(yīng)用準(zhǔn)分子激光，通過(guò)掩模方法，已經(jīng)加工出10齒/50μm和108齒/500μm的微型
齒輪。
c6Aut`dK ~l*?D7[o （4）高效的自動(dòng)流程加工制造
~'NpM #A \aVY>1` 由于激光輸出的可控制性，使激光制造過(guò)程能夠通過(guò)軟件實(shí)行自動(dòng)化流程的智能控制。根據(jù)生產(chǎn)性質(zhì)的需要，既可實(shí)行加工臺(tái)的定位控制亦可通過(guò)激光的光纖傳輸實(shí)行加工頭的機(jī)器手定位控制，從而實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化、智能化激光制造。比如，汽車(chē)車(chē)身覆蓋件的三維定位切割、車(chē)身骨構(gòu)架的焊接、齒輪盤(pán)及其他零部件的焊接加工等，已形成激光加工、組裝一條龍的生產(chǎn)線(xiàn)。
w0j/\XN 2s 4`U0">gY 3 激光微制造將成為新世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)
ig2 +XR#% + fd@K 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Richard Feynman早在50年代末就曾預(yù)言，制造技術(shù)將沿著從大到小的途徑發(fā)展，即用大機(jī)器制造出小機(jī)器，用這種小機(jī)器又能制造出更小的機(jī)器，并由此在微小尺度領(lǐng)域制造出一代代的批量加工工具�？茖W(xué)技術(shù)的革命證實(shí)了Feynman的預(yù)言。微電子技術(shù)的出現(xiàn)就是最有說(shuō)服力的例子，從集成到大規(guī)模集成到超大規(guī)模集成技術(shù)的迅猛發(fā)展中，已經(jīng)顯示出未來(lái)的制造技術(shù)必將沿著“越來(lái)越小”的方向進(jìn)軍。20世紀(jì)把電子技術(shù)的主要功能高度集成在一起，形成了世紀(jì)標(biāo)志的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并滲透到人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。21世紀(jì)則是多門(mén)學(xué)科的集成技術(shù)，即把微電子、微光學(xué)、微機(jī)械以及
傳感器、執(zhí)行器的信號(hào)處理單元集成在一起的微納制造和微系統(tǒng)技術(shù)。微納制造技術(shù)與功能微系統(tǒng)將成為21世紀(jì)高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的里程碑，其發(fā)展將使人類(lèi)在認(rèn)識(shí)和改造自然的能力上達(dá)到一個(gè)新的高度，導(dǎo)致人類(lèi)生活和社會(huì)物質(zhì)文明及科學(xué)技術(shù)的巨大變革。
M9s43XL(& pgd8`$(Q 美國(guó)在80年代末就意識(shí)到微納制造技術(shù)與微系統(tǒng)研究的緊迫性，強(qiáng)調(diào)美國(guó)“應(yīng)該在這樣一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)中走在前面”，并啟動(dòng)了第一個(gè)研究計(jì)劃。進(jìn)入90年代后，日本也開(kāi)始實(shí)施為期10年、總投資為250億日元的“微型機(jī)械技術(shù)”大型研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃。為尋求適應(yīng)微系統(tǒng)制造的三維結(jié)構(gòu)精細(xì)微加工的技術(shù)途徑，歐共體組織了德國(guó)漢諾威激光中心和法國(guó)、瑞士、意大利等國(guó)的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)研究。目前在微納制造技術(shù)上已經(jīng)形成國(guó)際性競(jìng)爭(zhēng)，已經(jīng)開(kāi)始新世紀(jì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)全球市場(chǎng)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)。
B&i0j5L JYg% ~tW' 目前的研究進(jìn)展也已經(jīng)顯示，激光微技術(shù)是有發(fā)展?jié)摿Φ娜S微制造技術(shù)，將可能成為微系統(tǒng)制造的主流技術(shù)之一。德國(guó)國(guó)家教研部從2002年開(kāi)始，出臺(tái)了為期五年的光學(xué)資助計(jì)劃，其中重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是激光微制造技術(shù)的研究。該計(jì)劃僅2002年的資金投入就是0.478億歐元，后續(xù)幾年的投入按一定比例遞增。德國(guó)采取分解式的單元技術(shù)研究，在光的微制造與微納技術(shù)的硬件方面，五年研究規(guī)劃的目標(biāo)定位在新的激光光源和超精細(xì)聚焦系統(tǒng)上，達(dá)到150～0.1nm光譜范圍的超紫外輸出和能越過(guò)衍射極限、分辨率小于100nm的高重復(fù)性近場(chǎng)
透鏡。
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