前 言

    自1960年第一臺(tái)激光器問世以來，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，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)，并開始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工行業(yè)。

    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)生任何有害的射線與殘剩，生產(chǎn)過程對(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、滿足宏觀與微觀制造的需要，研究和開發(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，并已形成國際性競(jìng)爭(zhēng)?？梢灶A(yù)言，激光制造技術(shù)必將以其無可替代的優(yōu)勢(shì)成為21世紀(jì)迅速普及的高新技術(shù)。

    1 激光制造系統(tǒng)發(fā)展

    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。

    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)。

    從1964年第一臺(tái)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(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。

    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題。

    值得注意的是近年來發(fā)展起來的半導(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。

    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(zhì)的研究與開發(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。

    2 激光制造技術(shù)應(yīng)用

    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：

    （1）特種材料特殊要求的加工

    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，而且在激光焊接過程中無機(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、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(shù)2。例如歐洲一些國家，對(duì)高檔汽車車殼與底座、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。

    （2）特殊精度的加工制造

    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)過程。這里要突出的是，通過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)過程和熱化學(xué)反應(yīng)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(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”切割和“點(diǎn)”鉆孔加工。歐美一些國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)。

    （3）微細(xì)加工制造

    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；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