網(wǎng)訊：時至今日，當(dāng)我們再次提起激光加工時可能很多人已經(jīng)不再陌生，先進的激光技術(shù)正在我們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。小到量體裁衣，大到航天飛機，激光加工應(yīng)用越來越普遍。伴隨著激光技術(shù)半個多世紀(jì)的發(fā)展，激光加工應(yīng)用也向著新的方向發(fā)展。

最高功率已達20000W。德國IPG公司開發(fā)了目前全球最為先進的光纖激光器制造技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用廣泛滲透到重金屬切割、銅焊、熔覆以及焊接等核心領(lǐng)域。

銷售額的60％以上。美國是最早將高功率激光器引入汽車工業(yè)的國家，在激光醫(yī)療及激光檢測方面也占世界首位，德國在激光材料加工設(shè)備方面走在世界前列。

和半導(dǎo)體泵浦固體激光器以自身所具有的高光電轉(zhuǎn)換效率、更小的體積，以及更優(yōu)化的激光模式等優(yōu)勢，應(yīng)用在工業(yè)激光加工、激光醫(yī)療等多個領(lǐng)域，成為激光加工設(shè)備的主導(dǎo)方向。

機和彩色打標(biāo)機，其控制軟件實現(xiàn)了根據(jù)不同的顏色要求，控制不同波長的激光，不同工作時間的輸出，提高了激光標(biāo)記設(shè)備的使用范圍。

技術(shù)等。

的一個典型應(yīng)用就是切割印刷電路板PCB中表面安裝用模板。傳統(tǒng)的 SMT模板加工方法是化學(xué)刻蝕法，其致命的缺點就是加工的極限尺寸不得小于板厚，并且化學(xué)刻蝕法工序繁雜、加工周期長、腐蝕介質(zhì)污染環(huán)境。采用激光加工，不僅可以克服這些缺點，而且能夠?qū)Τ善纺０暹M行再加工，特別是加工精度及縫隙密度明顯優(yōu)于化學(xué)刻蝕法。

熱影響區(qū)很窄，焊縫小，尤其可焊高熔點的材料和異種金屬，并且不需要添加材料。利用固體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，從而保證了集成電路管芯的質(zhì)量。

、激光表面處理等。

　　激光由于其具有很好的單色性、相干性、方向性和高能量密度等特性，隨著技術(shù)的進步，日益廣泛地被應(yīng)用于各類制造服務(wù)中，精密激光正不斷地滲透入傳統(tǒng)加工中。傳統(tǒng)的打孔方法在許多場合已不能滿足需求，如在堅硬的碳化鎢合金上加工直徑為幾十微米的小孔；在硬而脆的紅、藍寶石上加工幾百微米直徑的深孔等，用常規(guī)的機械加工方法無法實現(xiàn)。而激光束的瞬時功率密度高達108W/cm2，可在短時間內(nèi)將材料加熱到熔點或沸點，可以很容易地在上述材料上實現(xiàn)打孔。與電子束、電解、電火花和機械打孔相比，激光打孔質(zhì)量好、重復(fù)精度高、通用性強、效率高、成本低及綜合技術(shù)經(jīng)濟效益顯著。激光精密打孔已經(jīng)達到很高的水平，可以加工直徑從20um到80um的微孔，并且其直徑與深度之比可達1：80。激光束還可以在脆性材料如陶瓷上加工各種微小的異型孔如盲孔、方孔等，這些都是普通機械加工無法做到的。

　　精密激光制造是新興的加工方法，正在滲透入傳統(tǒng)制造中，逐步替代和突破傳統(tǒng)的制造方法，未來發(fā)展空間巨大。激光技術(shù)應(yīng)用是當(dāng)今全球發(fā)展最快、最活躍的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，如汽車、電子、電器、航空、冶金、機械等制造領(lǐng)域，激光正在替代傳統(tǒng)的機械、化學(xué)等加工工藝，實現(xiàn)對金屬和非金屬材料的切割、焊接、表面處理、鉆孔以及微加工等。與此同時，隨著激光加工技術(shù)的不斷進步以及工業(yè)化生產(chǎn)的不斷升級，激光加工領(lǐng)域不斷拓寬，作為新的應(yīng)用領(lǐng)域，高科技材料（如單晶硅、不易加工的金屬等）的應(yīng)用增長迅速，其中的激光應(yīng)用銷售市場也在快速增長，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用范圍越來越廣，激光在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用還包括：大規(guī)模集成電路的光刻技術(shù)，印刷電路板打孔技術(shù)，鐘表零件制造與首飾加工等領(lǐng)域。

　　社會分工越來越細，專業(yè)化程度越來越高，是歷史發(fā)展的必然趨勢。企業(yè)競爭優(yōu)勢的大小主要是由生產(chǎn)要素中最薄弱的要素來決定，企業(yè)要將每個要素都做到最好是不現(xiàn)實的，世界上沒有一個全能企業(yè)�，F(xiàn)代企業(yè)專注于把內(nèi)部資源集中在最具核心優(yōu)勢項目上，而把非優(yōu)勢項目外包，這是提升競爭優(yōu)勢的有效路徑。業(yè)務(wù)外包已成為當(dāng)今全球新一輪產(chǎn)業(yè)革命和轉(zhuǎn)移中不可逆轉(zhuǎn)的必然趨勢。精密激光制造和服務(wù)外包必要性主要體現(xiàn)在：

　　第一、減少浪費性競爭。生產(chǎn)精密激光加工產(chǎn)品不僅要求投入大量的資金用于購買激光加工設(shè)備，同時由于應(yīng)用技術(shù)性強還要配備相關(guān)的專業(yè)技術(shù)人員。通過將精密激光制造外包，可以節(jié)省大量資金和人力投入。

　　第二、獲得規(guī)模經(jīng)濟。通過協(xié)作外包建立大規(guī)模專業(yè)化分工體系，可以從規(guī)模經(jīng)濟中獲得經(jīng)濟效益，使各參與分工的單位分享規(guī)模經(jīng)濟帶來的利益。

　　第三、降低企業(yè)成本。相對于機械、電化等傳統(tǒng)的加工手段，精密激光加工設(shè)備價值高昂，外包有利于提高加工設(shè)備的利用率，降低加工成本。大企業(yè)可以通過生產(chǎn)一體化來降低生產(chǎn)成本，但是分工過細又會使一體化的成本上升。當(dāng)大企業(yè)的市場交易成本小于一體化成本時，大企業(yè)往往通過分工協(xié)作方式，將部分業(yè)務(wù)外包，通過市場交易來滿足自己所需的服務(wù)或中間產(chǎn)品，從而降低企業(yè)的總成本。

　　從國外多年應(yīng)用的實際情況來看，精密激光制造和服務(wù)專業(yè)化程度和外包比例較高，這是和現(xiàn)代制造業(yè)社會分工專業(yè)化、規(guī)�；�、標(biāo)準(zhǔn)化相吻合，也是市場經(jīng)濟充分競爭的必然結(jié)果。精密激光制造投資大，技術(shù)要求高，精密激光制造需求一般通過外包方式來實現(xiàn)，精密激光制造和服務(wù)專業(yè)化是一種有效的經(jīng)營模式，由此催生了一批專業(yè)從事精密激光制造和服務(wù)的企業(yè)，帶來了精密激光制造和服務(wù)行業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展。

　　由于人們對器件尺寸的要求越來越小，物理尺寸也越來越小，需要精度更高、加工速度更快、加工尺寸越小的技術(shù)出現(xiàn)，激光是最有競爭力的技術(shù)之一。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者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，即用大機器制造出小機器，用這種小機器又能制造出更小的機器，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)的革命證實了Feynman的預(yù)言。微電子技術(shù)的出現(xiàn)就是最有說服力的例子，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)顯示出未來的制造技術(shù)必將沿著“越來越小”的方向進軍。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)，并滲透到人類活動的各個領(lǐng)域。21世紀(jì)則是多門學(xué)科的集成技術(shù)，即把微電子、微光學(xué)、微機械以及傳感器、執(zhí)行器的信號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)展將使人類在認識和改造自然的能力上達到一個新的高度，導(dǎo)致人類生活和社會物質(zhì)文明及科學(xué)技術(shù)的巨大變革。精密加工正是這種需要下發(fā)展起來的，精密激光制造和服務(wù)是未來制造的發(fā)展方向。

　　超快激光器用于超精密加工

        功率強度和脈寬是影響激光束如何與材料相互作用的關(guān)鍵因素。在長時間范圍內(nèi)，材料吸收一部分光能，將其轉(zhuǎn)換成熱量，熱量會通過材料傳導(dǎo)。如果光束足夠強，便能熔化材料，熔化的材料會將熱量傳遞到周圍區(qū)域。對于短至納秒級時間尺度的脈沖加工而言，吸收、熔化和熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)地位。

　　當(dāng)脈沖能量以短于約100ps的時間尺度傳輸時，根據(jù)材料的不同情況會發(fā)生顯著變化。隨著脈沖峰值功率的增加，峰值強度急劇上升。例如，持續(xù)1ps的微焦級脈沖的峰值功率為1MW，當(dāng)它聚焦為5μm的光斑時，可產(chǎn)生約4×1012W/cm2的峰值強度，這足以剝離外層電子。激光與材料相互作用的時間是如此之短，以至于離子在能夠?qū)⒛芰總鲗?dǎo)到底層材料之前，就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉了。與光強較低的情況相比，在這種燒蝕模式下，能量傳導(dǎo)受材料吸收的影響較小，但是也會受到材料種類和激光波長的影響。例如，紫外脈沖比近紅外脈沖更適合切割玻璃之類的透明材料，而近紅外脈沖在玻璃中的傳輸性能更好。

　　這種加工通常也被稱為"冷燒蝕"。雖然材料表面在片刻間就變得非常熱，但是離子在其加熱或損傷底層材料之前就已經(jīng)被燒蝕掉了，如圖1所示。因此皮秒或飛秒激光脈沖能夠從精細或易碎材料中無損去除非常薄的表層。波蘭研究人員已經(jīng)使用強度僅在燒蝕閾值之上的70ps脈沖去除油畫表面的透明清漆，并利用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)監(jiān)控整個去除過程。美國Photonics Industries公司的Joyce Kilmer說："皮秒激光器能夠?qū)�圖案寫到火柴頭上，卻不會讓火柴點燃。"

　　圖1：納秒脈沖和飛秒脈沖加工效果的對比。

　　左圖中的納秒脈沖在燒蝕前會熔化表面材料，并將熱量傳遞到鄰近區(qū)域，從而影響許多材料。右圖中的飛秒脈沖通過多光子離子化燒蝕材料，只有很少的熱量傳遞到鄰近的材料中。

　　一般而言，由于皮秒脈沖的能量通常更高，因此皮秒燒蝕的速度更快；相比之下，飛秒燒蝕往往會產(chǎn)生更平滑、更精密的加工表面。實際加工性能取決于脈沖參數(shù)、目標(biāo)材料以及其他方面的考慮。由于燒蝕是將一團材料爆散到光路中，因此重復(fù)頻率是很重要的因素。對于兆赫茲的重復(fù)頻率，可能在下一個脈沖發(fā)射之前，上一個脈沖產(chǎn)生的材料還沒有足夠的時間消散。千赫茲的重復(fù)頻率有足夠的時間讓材料消散，所以對精密去除材料可能更加有效。

　　適用的材料

　　冷燒蝕加工適用于一系列材料，包括金屬、半導(dǎo)體、玻璃、晶體和陶瓷。冷燒蝕的典型能量密度閾值在0.05~5J/cm2的范圍內(nèi)，表1中給出了材料對摻鐿光纖激光器和鈦寶石激光器發(fā)射的飛秒脈沖的典型閾值。

　　超短脈沖對切割或加工易碎材料特別有吸引力，包括玻璃、陶瓷、硅和CIGS（用于薄膜太陽能電池的銅銦鎵硒）。利用燒蝕鉆孔或切割玻璃可以避免產(chǎn)生裂縫，并獲得尖銳、清潔的邊緣和表面，如圖2所示。對于液晶顯示器或手機上使用的超薄玻璃，可以通過沿著一系列冷燒蝕激光孔洞對玻璃進行機械擠壓切割成形。這是由于燒蝕是一種具有高閾值的非線性過程，經(jīng)過聚焦的脈沖，僅在焦斑的中心處的激光功率超過燒蝕閾值，這部分激光脈沖可以鉆出小于衍射極限的孔。

　　圖2：超快脈沖實現(xiàn)玻璃的精細加工。a）利用10μJ的355nm脈沖在玻璃上鉆出的440μm孔；

b）利用355nm脈沖在Pyrex玻璃上銑出2mm的正方形區(qū)域。

　　薄膜加工的工藝過程更為復(fù)雜，例如加工硅基底上的石英。這對該應(yīng)用，德國Solar Energy Research Hameln研究所的研究人員表示，皮秒脈沖不是自上而下燒蝕石英，而是穿過透明的石英使硅基底熔化，然后蒸發(fā)足夠的熔化物使薄膜從基底上升起。因此其能量閾值取決于SiO2的厚度。

　　由于焦點處具有高得多的功率密度，通過高數(shù)值孔徑光學(xué)元件聚焦的皮秒脈沖，能夠在玻璃或其他透明材料內(nèi)部刻蝕結(jié)構(gòu)，而不會影響表面。例如，北京理工大學(xué)利用鈦寶石激光器的35fs脈沖，橫跨單模光纖纖芯刻寫出了長周期的光纖布拉格光柵。該光柵在1465~1575nm的波段內(nèi)產(chǎn)生20dB的衰減。通過誘導(dǎo)體材料玻璃內(nèi)部的熔融石英波導(dǎo)的雙折射，加拿大多倫多大學(xué)制造出了2cm長的波長選擇性定向耦合器，消光比達24dB。他們認為該分束器"有望為制造三維光電路中的偏振相關(guān)設(shè)備開辟新的方向"。

　　納米粒子和納米纖維

　　超快激光器也為脈沖激光沉積提供了新的轉(zhuǎn)折點。納秒激光脈沖已經(jīng)成為薄膜沉積的標(biāo)準(zhǔn)，但是它們會將10μm的顆粒濺射到薄膜上。當(dāng)愛爾蘭圣三一學(xué)院（Trinity College）的研究人員檢查納秒脈沖從銀靶上產(chǎn)生的流量時，他們發(fā)現(xiàn)離子流量超過了沉積速率，這表明在表面產(chǎn)生了一些自濺射。然而，他們發(fā)現(xiàn)飛秒脈沖產(chǎn)生的離子流量只有沉積速率的1%，這表明大部分燒蝕材料形成了納米粒子。其他研究表明，飛秒脈沖產(chǎn)生的納米粒子的大小取決于激光通量、氣體環(huán)境和加工材料。

表1 金屬，半導(dǎo)體和電介質(zhì)的燒蝕闕值

　　加拿大Ryerson University的研究人員表示，飛秒脈沖容易產(chǎn)生大量致密、糾纏的石英納米纖維。將摻鐿光纖激光器發(fā)射的重復(fù)頻率為12.4MHz的214fs的脈沖序列，以1.17J/cm2的強度聚焦到硅上，可以產(chǎn)生四種類型的納米纖維絲。其中直徑最大的為幾百納米，長度達10mm；最細的纖維直徑為幾十納米，長度延伸到數(shù)百微米。然而，纖維的纏結(jié)使研究變得更加困難。

　　醫(yī)學(xué)應(yīng)用

　　超快脈沖能夠干凈地實現(xiàn)切割加工，并且不破壞周圍區(qū)域或形成粗糙的邊緣，這對加工醫(yī)學(xué)植入物和實施精細手術(shù)至關(guān)重要。

　　對于在動脈阻塞中插入支架和伸縮管、打通動脈以恢復(fù)血流來說，光滑的表面尤其重要。人體有時會對植入物起反應(yīng)，在支架上生長疤痕組織，這會重新阻塞動脈。用超快激光器加工各種材料制成的支架，可以產(chǎn)生非常光滑的表面，從而減少了疤痕組織生長的機會。

　　在LASIK（激光原位角膜磨鑲術(shù)）屈光手術(shù)中，在角膜表面切割皮瓣以暴露內(nèi)部組織的應(yīng)用中，飛秒激光器也已成為標(biāo)準(zhǔn)工具。其主要吸引人之處在于能夠比傳統(tǒng)手術(shù)更準(zhǔn)確地切割皮瓣。

　　現(xiàn)在眼科醫(yī)生正在將飛秒激光技術(shù)擴展到用于實施白內(nèi)障手術(shù)。其中的一個目的是軟化眼球晶狀體中引起白內(nèi)障的硬核，從而可以很容易地將其去除；另一個目的是實施去除眼球晶狀體所需的切割，并在對眼球其他部位傷害最小的情況下插入替換物。目前有三家公司正在研發(fā)可用于上述兩種手術(shù)的飛秒激光系統(tǒng)。

　　目前的研究結(jié)果非常鼓舞人心。在去年10月舉行的美國眼科學(xué)會會議上，邁阿密大學(xué)醫(yī)學(xué)院Bascom Palmer眼科研究所的研究人員報道說，飛秒激光治療減輕了手術(shù)要求，并且減少了晶狀體去除過程中的超聲暴露。在同一次會議上，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)的研究人員報道說，飛秒激光手術(shù)避免了關(guān)鍵角膜內(nèi)皮細胞的損傷，而傳統(tǒng)的白內(nèi)障手術(shù)會造成這種損傷。

　　展望

　　超快激光加工在很大程度上歸功于皮秒激光器和飛秒激光器的產(chǎn)業(yè)化，從而使得非專業(yè)人員可以在工業(yè)和醫(yī)學(xué)環(huán)境中使用它們。到目前為止，超快激光器在一些特定應(yīng)用中已經(jīng)非常成功，但是其成本和材料去除速度方面仍然存在很大的局限性。然而無論如何，超快激光器在性能上的優(yōu)勢，對于像醫(yī)療植入支架和精細眼科手術(shù)這樣高要求的應(yīng)用來說，還是非常引人注目的。