激光器技術的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢百度文庫講解

1、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培磨技術的應用和發(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

2、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

3、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項技術目前已經發(fā)展成熟，應用 也很廣泛。進入20世紀90年代后期，激光琦磨技術的出現(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

4、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 民經濟和工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的作用1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

5、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，已經逐步進入了激光加工的時 代.日本的 激光加工已經占到整個加工業(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

6、，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業(yè),作為一支產業(yè)新軍迅速崛起.不論從科技、經濟、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

7、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

8、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 產生了巨大的經濟效益 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

9、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

10、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Y AG激光器進行縫焊和點焊， 已有很高的水平.

11、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

12、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

13、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

14、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年美國舊M公司將準分子光刻機用于生產線上，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，

15、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,彳惠國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