激光器技术的应用现状及发展趋势讲解

激光器技术的应用现状及发展趋势 摘 要:简述了激光精密加工技术及其特点;综述了激光精密加工的应用现状; 探讨了激光精 密加工技术的发展趋势。激光加工技术在机械工业中的广泛应用，促进了激光加工技术向工业化发展。为此，介绍了几种应用较广泛的激光加工技术；重点讨论了激光硬化和激光珩磨技术的应用和发展趋势。摘 要 由于在光通信 光数据存储 传感技术 医学等领域的广泛应用 近几年来光纤激光器发展十分迅速本文简要介绍了光纤激光器的工作原理及特性,并对 目前多种光纤激光器作了较为详细的分类;同时介绍了近几年国内外对于光纤激光器的研究方向及其目前的热点是高功率光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器和超短脉冲光纤激光器;最后指出光纤激光器向高功率、多波长、窄线宽发展的趋势. ：结合河北工业大学光机电一体化研究室近几年对激光加工技术研究的初步成果，对激光加工技术的特点，激光加工技术在国内外的应用发展状况，以及激光加工技术的发展趋势进行了简要介绍，同时分析了我国激光加工产业面临的机遇与挑战，并提出了应采取的对策

前言 1 概述 激光加工是 20 世纪 60 年代初期兴起的一项新技术，此后逐步应用于机械、汽车、航空、电子等行业，尤以机械行业的应用发展速度最快。在机械制造业中的广泛使用又推动了激光加工技术的工业化。 20 世纪 70 年代，美国进行了两大研究:一是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接;二是通用汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬火。这两项研究推动了以后的机械制造业中的激光加工技术的发展。到了 20 世纪 80 年代后期，激光加工的应用实例有所增加,其中增长最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。这 3 项技术目前已经发展成熟，应用也很广泛。进入 20 世纪 90 年代后期，激光珩磨技术的出现又将激光微细加工技术在机械加工中的应用翻开了崭新的一页。 激光加工技术之所以得到如此广泛的应用，是因为它与传统加工技术相比具有很多优点：一、是非接触加工，没有机械力；二、是可以加工高硬度、高熔点、极脆的难加工材料；三、是加工区小，热变形很小，加工质量高；四是与现代数控机床相结合，使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序简单、省料及污染少等特点。下面综合介绍应用比较广泛的几种激光加工技术。目前，激光加工技术得到了越来越广泛的应用，具有非常广阔的市场前景，在国民经济和工业发展中发挥着日益重要的作用 [1] ． 激光加工的实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或化学变化，从而达到加工的目的．按照激光与被加工工件之间作用机理的不同，可将激光加工分为两类：一类是激光热加工，一类是激光冷加工．激光热加工是指激光作用于加工工件表面所引起的快速热效应的各种加工过程，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发或控制光化学反应的各种加工过程，亦称为激光光化学反应加工，如激光刻蚀、激光掺杂、表面氧化等．激光加工技术应用的领域非常广泛，如机械制造、纺织、医疗器械、汽车、航天航空、电子电器、电站电机、量具刃具、冶金、化工、包装、测量、建筑以及工艺装饰等行业 [3]．在发达国家的加工行业中，已经逐步进入了激光加工的时代．日本的激光加工已经占到整个加工业的 10%以上；在激光医疗及激光检测技术方面美国处于领先地位，美国也是最早将高功率激光器引入汽车工业的国家；在激光材料加工设备方面，德国走在了世界前列．据统计，全球现在有激光加工站 5 000 多家，主要分布在美国、日本和欧洲．我国的激光加工技术研究虽然与世界先进水平有一定差距，但起步也并不晚，1961年就研制成功第一台红宝石激光器．但激光加工技术真正得到长足发展，还是在改革开放以后．发展较快的地区是湖北、北京、上海等省市．以激光为特色的光电子信息产业，作为一支产业新军迅速崛起．不论从科技、经济、以及社会效益上，都取得了重要成就和巨大进步．激光加工技术特点激光具有高亮度、方向性强、单色性好、相干性好、空间控制和时间控制性好等优越性能，容易获得超短脉冲和小尺寸光斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，几乎能加工所有的材料，例如，塑料，陶瓷，玻璃，金属，半导体材料，复合材料等等, 以及生物 / 医用材料，特别适用于加工自动化，而且对被加工材料的形状、尺寸和加工环境要求很低．激光加工具有很多优点，如下所述．激光加工属无接触加工[1]： 激光加工是通过激光光束进行加工， 与被加工工件不直接接触， 降低了机械加工惯性和机械变形， 方便了加工． 同时， 还可加工常规机械加工不能或很难实现的加工工艺， 如内雕、 集成电路打微孔、 硅片的刻划等．加工质量好，加工精度高：由于激光能量密度高可瞬时完成加工，与传统机械加工相比，工件热变 形小、无机械变形，使得加工质量显著提高；激光可通过光学聚焦镜聚焦，激光加工光斑非常小，加工 精度很高，如PC 机硬盘高速转子采用激光平衡技术，其转子平衡精度可达微米或亚微米级 [5] ． 加工效率高：激光切割可比常规机械切割提高加工效率几十倍甚至上百倍；激光打孔特别是微孔可 比常规机械打孔提高效率几十倍至上千倍；激光焊接比常规焊接提高效率几十倍；激光调阻可提高效率 上千倍，且精度亦显著提高； 材料利用率高，经济效益高：激光加工与其他加工技术相比可节省材料10 ~ 30%，可直接节省材料成本费，且激光加工设备操作维护成本低，对加工费用降低提供了先决条件．激光加工具有优越的加工性能，使得激光加工技术得到了广泛的应用，并产生了巨大的经济效益和社会效益．目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光刻蚀技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术．下面以几种常用的加工工艺为例进行简单的介绍． 激光快速成型技术 激光快速成型技术是上世纪80年代发展起来的一门高新技术，它是利用激光技术、CAX 技术、自动控制技术和新材料技术，直接造型，快速制造产品模型的一门多学科综合技术．激光快速成型技术一改传统加工“去除”成型加工工艺，改为“堆积”成型加工工艺，在加工领域具有划时代的意义．激光快速成型技术中LOM工艺，是利用CAD模型设计功能和CAM加工制造功能，不需要工程图纸，将设计模型数据直接切片生成加工代码，快速制造出设计模型样件或样机．在新产品开发设计阶段，采用激光快速成型技术可有效缩短设计周期．如河北工业大学快速成型中心，对某型号汽车除霜管设计制造在一两天中即可完成，并取得了良好的效果．目前，激光快速成型技术广泛应用于航空航天、汽车、玩具制造等行业 [6] 激光焊接技术激光焊接是利用高能量激光束照射焊接工件，工件受热融化，然后冷却得到焊接的目的．激光焊接的显著特征是大熔、焊道、小热影响区，以及高功率密度，大气压力下进行不要求保护气体，不产生X射线，在磁场内不会出现束偏移，更加之该法焊速快、与工件无机械接触、可焊接磁性材料便于实现遥控等优点，尤其可焊高熔点的材料和异种金属，并且不需要添加材料，因此很快在电子行业中实现了产业化．激光焊接有两种基本方式：传导焊与深熔（小孔）焊．国外利用固体 YAG 激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平．另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯无影响．日本自 90 年代以来，在电子行业的精密焊接方面已实现了从点焊向激光焊接的转变．目前，激光焊接主要应用在汽车行业，如汽车车身的焊接（美国福特汽车公司，日本本田、尼桑汽车公司等） ，底板焊接（西德大众） ，发动机悬架焊接（奥迪轿车）等等 [7] 激光打孔技术 激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益显著等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一．激光打孔在微细孔加工中的应用，解决了一些传统机械加工不能解决的难题，为微孔加工提供了先进的加工手段．在上世纪 90年代，激光打孔技术就朝着多样化、高速度、高精度、直径更微小的方向发展．例如在飞机机翼上打 5万个直径为0.064 mm 的小孔，可以大大减小气流对飞机的阻力，取得节油 40%的良好效果．我国从上世纪 60 年代开始在钟表行业中使用激光加工技 术，对宝石轴承进行激光打孔． 激光切割技术 自从1967年 Sullivan 和 Houldcroft 首先提出并实现用吹氧气法进行金属激光切割以来，激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割面粗糙度低、热影响区域小、加工柔性好、可实现众多复杂零件的切割等优点而应用越来越广．激光切割技术可广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量．脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域．目前，激光切割主要应用在航空航天工业和汽车制造业中，如飞机框架、尾翼壁板、飞机主旋翼、汽车车架等切割． 激光打标技术 激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一． 激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法．激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米量到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义．准分子激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，目前，广泛用于微电子工业、生物工程、食品包装和防伪鉴别等领域． 激光刻蚀技术 自从首次报道准分子激光能获得快速、高分辨光刻以来，人们在八十年代即对准分子激光光刻进行了大量研究．尽管电子束、X射线、离子束具有更短的波长，在提高分辨率方面有更多好处，但曝光源、掩模、抗蚀剂、成像光学系统方面存在极大的困难．而相反，准分子光刻有着明显的经济性和现实性，它将光学光刻扩展至 DUV 和 VUV，其高功率大大缩短了基片曝光时间，分辨率易获得亚微米线宽，掩模和抗蚀剂问题易解决．1992 年美国IBM公司将准分子光刻机用于生产线上，商品化的XL-1型193 nm光刻机能获得0.25 m线宽光刻胶图形．最近的相移掩模技术，将准分子光刻分辨率提高到0.13 m以下．另一方面，准分子激光直刻有机和无机物材料方面有着独到之处，单脉冲去除深度在0.05 ~ 0.1 m 之间，这使得通过简单的脉冲计数即可获得高精密切削．将准分子光刻装备进行适合于材料加工的改进，如使掩模及整个光学系统能承受更大激光峰值功率密度，采用高倍率投影物镜，设计实时残渣去除系统等等，则非常适于新近迅速发展起来的微结构、 微机械的加工技术． 目前，英国Exitech公司，德国Microlas公司，日本浜松光子公司先后推出了商品化微结构加工用准分子激光微加工装备．激光刻蚀技术主要应用在高集成度电路的制作．激光微调技术激光微调主要用于调整厚膜电路或薄膜电路中的电阻、电容以及其他多种功能参数．激光调阻时，受到照射的部位受热汽化挥发，阻值区域截面面积减小，随之阻值增大．过去对厚膜电阻采用机械磨蚀法，对薄膜电阻采用电火花烧蚀法，但这种调整法的精度、效率都很低，对工件