從原理上說，激光能適應任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特別場合和特種材料的加工制造方面起著無可替代的作用。本文綜合評述了激光制造系統(tǒng)的發(fā)展以及激光制造技術在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中的地位。在分析國外研究動向的基礎上，指出激光制造技術的發(fā)展趨勢將重點定位在微結構、微刻蝕、微工具以及多功能性微技術、微工程的研究與開發(fā)上。可以預測，三維微納尺度的激光微制造技術必將成為新世紀的主流制造技術。 2ld0w=?+eu  
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    前 言 QNm.8c$  
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    自1960年第一臺激光器問世以來，激光的研究及其在各個領域的應用得到了迅速的發(fā)展。其高相干性在高精密測量、物質結構分析、信息存儲及通信等領域得到了廣泛應用。激光的高單色性，可在光化學領域對一些相距很近的能級作選擇激發(fā)，進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用于加工制造業(yè)（大到航天器、飛機、汽車工業(yè)，小到微電子、信息、生物細胞分離等微技術）。隨著激光器件、新型受激輻射光源，以及相應工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近20年來，激光制造技術已滲入到諸多高新技術領域和產(chǎn)業(yè)，并開始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工行業(yè)。 m4T`Tg#P  
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    激光制造技術包含兩方面的內容，一是制造激光光源的技術，二是利用激光作為工具的制造技術。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)展提供廣闊的應用空間。兩者是激光制造技術中不可或缺的環(huán)節(jié)，不可偏廢。激光制造技術具有許多傳統(tǒng)制造技術所沒有的優(yōu)勢，是一種符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色制造技術。例如，材料浪費少，在大規(guī)模生產(chǎn)中制造成本低；根據(jù)生產(chǎn)流程進行編程控制（自動化），在大規(guī)模制造中生產(chǎn)效率高；可接近或達到“冷”加工狀態(tài)，實現(xiàn)常規(guī)技術不能執(zhí)行的高精密制造；對加工對象的適應性強，且不受電磁干擾，對制造工具和生產(chǎn)環(huán)境的要求低；噪聲低，不產(chǎn)生任何有害的射線與殘剩，生產(chǎn)過程對環(huán)境的污染小等等。因此，為適應21世紀高新技術的產(chǎn)業(yè)化、滿足宏觀與微觀制造的需要，研究和開發(fā)高性能光源勢在必行。目前正在積極研制超紫外、超短脈沖、超大功率、高光束質量等特征的激光，尤其是能適應微制造技術要求的激光光源更是倍受關注，并已形成國際性競爭。可以預言，激光制造技術必將以其無可替代的優(yōu)勢成為21世紀迅速普及的高新技術。 pe@/tO&I  
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    1 激光制造系統(tǒng)發(fā)展 9o5_QnGE  
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    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)、運動系統(tǒng)、傳感與檢測系統(tǒng)組成，其核心為激光器。 i_;]UvP  
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  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”的質量直接影響著加工制造的結果。激光光束質量的好壞可以采用光束遠場發(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值來表示。對小功率激光器，工作物質均勻穩(wěn)定，一般可以實現(xiàn)基模輸出，其光束橫截面能量分布為高斯分布，且在傳輸過程中保持不變，光束質量較好；對于大功率激光器，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)應用領域很廣，激光切割、激光焊接都需要優(yōu)良的光束質量，而追求高光束質量的大功率激光是工業(yè)用激光器不斷發(fā)展的目標。 ~rU{Q>c  
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    從1964年第一臺co2激光器出現(xiàn)到現(xiàn)在，經(jīng)過近四十年的發(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，光束質量越來越好。擴散型slab co2激光器光束橫截面上光強分布接近高斯分布（如圖2），具有極好的光束質量，在加大的激光加工工作區(qū)焦點的漂移很小，非常有利于大范圍激光傳輸與聚集，這對大尺寸工件的切割應用非常重要。 V$ss[fX  
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    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）、半導體泵浦（棒狀）和片狀固體激光器的過程。由于受工作物質熱物理性質的制約，yag激光光束質量模式相對較差。如何提高光束質量和激光功率，仍是yag激光器面臨的主要問題。 al\ R(\p|  
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    值得注意的是近年來發(fā)展起來的半導體激光器。半導體激光器具有小型化、頻率極高、與光纖良好耦合、易于調制等優(yōu)良特性，因而具有廣闊的應用前景。 vo DTU]pf  
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    要在不同產(chǎn)業(yè)中廣泛應用激光制造技術，很大程度上要依賴于激光加工系統(tǒng)的性能與工藝。歐、美、日一些國家在新光源、加工系統(tǒng)及工藝等方面的研究與開發(fā)就從未降溫過。隨著激光工作物質的研究與開發(fā)、器件與單元技術的改進和創(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)，使激光制造的移動式定位加工變得更加便利。 wq&TU'O  

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2 激光制造技術應用 !=c&U.B  
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    激光制造技術與傳統(tǒng)的制造技術相比，其突出的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 
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    （1）特種材料特殊要求的加工
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    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。激光能量的高度集中和加熱、冷卻過程的極其迅速，可破壞一些難熔金屬表面的應力閾值，或使高導熱系數(shù)和高熔點金屬快速熔化，完成某些特種金屬或合金材料的焊接，而且在激光焊接過程中無機械接觸，容易保證焊接部位不因熱壓縮而變形，還排除了無關物質落入焊接部位的可能；如果采用大焦深的激光系統(tǒng)，還可實現(xiàn)特殊場合下的焊接，比如，由軟件控制的需隔離的遠距離在線焊接、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，達到高質量的焊接。以上特點是傳統(tǒng)的焊接工具與方法很難或完全不能做到的。目前，在汽車、國防、航空航天等一些特殊行業(yè)，已普遍采用激光焊接技術2。例如歐洲一些國家，對高檔汽車車殼與底座、飛機機翼、航天器機身等一些特種材料的焊接，激光的應用已基本取代了傳統(tǒng)的焊接工具和方法。 FVcooV  
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    （2）特殊精度的加工制造 Ot} E  
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    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)在材料內部熱傳導效應量級上的控制。激光的顯著特點之一，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、冷卻速度快的特點可實現(xiàn)傳統(tǒng)技術達到的普遍要求，加工屬熱化學過程。這里要突出的是，通過脈沖式激光輻射可達到接近“冷”加工的光化學動力過程。一方面選擇脈沖的時間寬度，使得材料內的熱傳導過程和熱化學反應來不及發(fā)生；另一方面通過控制激光的功率密度和脈沖計數(shù)，按要求達到確定的去除深度，從而實現(xiàn)高精度的“線”切割和“點”鉆孔加工。歐美一些國家在許多特殊要求的領域和產(chǎn)業(yè)中已普遍采用這種脈沖光制造技術。 ojitBo~  
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    （3）微細加工制造 sf5koe  
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    激光微細加工技術最成功的應用是在20世紀后半葉發(fā)展起來的微電子學領域。激光微細加工作為微電子集成工藝中的單元微加工技術之一，現(xiàn)已形成固定模式并投入規(guī)模化生產(chǎn)中。除此之外，能突顯其優(yōu)勢的領域還有精密光學儀器的制造、高密度信息的寫入存儲、生物細胞組織的醫(yī)療等。選擇適當波長的激光，通過各種優(yōu)化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統(tǒng)，獲得高質量光束、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，進行高密微痕的刻制、高密信息的直寫；也可利用其光阱的“力”效應，進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cad/cam軟件進行仿真圖案（或文字）和控制，實現(xiàn)高保真打標；利用光阱的“束縛力”，對生物細胞執(zhí)行移動操作（生物光鑷）。值得一提的是，高密度信息的激光記錄和微細機械零部件的光制造。無論是數(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數(shù)量級以上；②記錄、檢索、讀出速度快，單波道達50mbit/s，多波道可達320mbit/s；信息的檢索和讀出速度遠遠小于1秒；③成本低、使用壽命長。在微細機械零部件的光制造方面，最近幾年國外已將其列為攻關項目，成為未來高新技術前期研究的熱點。日本采用激光技術，制造出微米量級的三維“納米牛”，這說明日本在微納量級的三維激光微成型機制上已經(jīng)取得了巨大的進展。北京工業(yè)大學激光工程研究院應用準分子激光，通過掩模方法，已經(jīng)加工出10齒/50μm和108齒/500μm的微型齒輪。 J5Tl62} 河北省| 甘南县| 宣汉县| 灌南县| 湛江市| 宜都市| 龙州县| 阳谷县| 永安市| 镇巴县| 吴旗县| 自治县| 金阳县| 罗平县| 临清市| 会理县| 新闻| 固镇县| 陈巴尔虎旗| 化隆| 徐水县| 克拉玛依市| 资讯| 锦屏县| 桐乡市| 湟源县| 鹤壁市| 芒康县| 清河县| 贵阳市| 恭城| 商都县| 桃江县| 姚安县| 凤庆县| 兴文县| 额敏县| 盐源县| 浮梁县| 孙吴县| 建始县|