激光的应用与发展前景讲解

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1、. .激光的应用与发展前景摘要:激光是一种新的光源, 已经在许多领域得到应用。 随着激光技术的飞 速发展和广泛应用, 激光已成为工业生产, 科学探测和现代军事战争中极为重要 的工具。总结了激光技术在工业生产,军事,国防,医疗等行业中的应用,提出 激光技术应用领域的发展趋势。关键词:工业,军事,激光应用,发展前景光学是物理学中一门重要的分支学科,具有源远的历史和丰富的积累,并正 在迅速发展。 人类对光的研究开始得很早, 从原始时代起, 人们就注意观察自然 界中各种变幻无常的光学现象, 并不断地总结蕴藏在其中的物理规律, 随着生产 力的发展和科学技术的进步, 光学科学与技术也获得了相应的进展, 人

2、们创造出 了许多巧妙的光学仪器和光学工具, 扩大了自己的视野并实现了比较精确的定量 计算,进而形成了量子光学、非线性光学、信息光学、导波光学、激光物理、红 外物理等新的分支学科,使光学成为研究光的本性、光的产生、光的传播、光与 物质的相互作用以及光在科学研究和生产技术中各种应用的一门独立的学科 。 激光,具有普通光源发出的光的所有光学特性,是上世纪六十年代所诞生和 发展起来的新技术。 但它又不是普通的光, 其特性是任何光都无法比拟的。 激光 能量密度高,其亮度比太阳表面还高数百亿倍; 1激光方向性强,其发散度仅 为毫弧度量级,所以用途非常广泛。由于激光的优异特性,使激光在工业生产, 科技探测,

3、 军事等方面得到了广泛应用, 激光渗透到社会的各个行业, 而且发展 潜力还非常大,激光也成为了当代科学发展最快的科学领域之一。激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势:由于它是无接触加工, 并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调, 因 此可以实现多种加工的目的。它可以对多种金属、非金属加工,特别是可以加工高硬度、高脆性、及高 熔点的材料。激光加工过程中无“刀具”磨损,无“切削力”作用于工件。激光加工过程中,激光束能量密度高,加工速度快,并且是局部加工,对 非激光照射部位没有影响或影响极小。因此,其热影响区小,工件热变形小,后 续加工量小。它可以通过透明介质对密闭容器的工件进行各种加工

4、。由于激光束易于导向、 聚集实现作各方向变换, 极易与数控系统配合, 对 复杂工件进行加工,因此是一种极为灵活的加工方法。使用激光加工,生产效率高,质量可靠,经济效益好。例如:1美国通用 电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽, 不到 4H 即可高质量完成, 而原来采用电火花加工则需要 9H 以上。仅此一项,每台发动机的造价可省 5万 美元。 2激光切割钢件工效可提高 8-20倍,材料可节省 15-30%,大幅度降低了 生产成本,并且加工精度高,产品质量稳定可靠。虽然激光加工拥有许多优点, 但不足之处也是很明显的。激光在工业上的各种应用:1.1激光技术在焊机上的应用:激光能量密度高,方

5、向性强,激光焊接就是应用激光发生器产生的光经过光 学处理后照射在待焊接材料的部位上,并产生热量以形成永久性连接的工艺过 程。 21.2激光焊接原理。激光焊机是激光技术在焊接领域的应用。激光技术采用 偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束, 如果焦 点靠近工件, 工仵就会在几毫秒熔化和蒸发, 这一效应可用于焊接工艺, 高功 率 CO2是气体激光器, 分子气体作工作介质, 产生平均为 10.6m 的红外激光, 可以连续工作并输出很高的功率, 标准激光功率在 215kW 之间。 激光焊接 的特点是被焊接工件变形极小,几乎没有连接间隙,焊接深度 /宽度比高,因此 焊接质量比传统

6、焊接方法高。 激光在激光发生器中产生, 当快门打开后, 激光通 过光闸被传输到激光束导向系统中, 激光束导向系统是闭环管路, 由装在激光发 生器与焊接区域之间, 保证了激光束传播不失控, 当激光束离开激光发生器, 它 将被激光导向系统传输到焊接区域,导向是靠安装在导向系统中的铜镜完成的, 在激光工作头处的最后 一个偏向镜为聚焦镜,激光聚焦的点很小但强度很高, 一般激光束是由原来的 35mm 变成 0.2mm 。激光束通过传动机构在焊接区域进行运动,强大的激光能量将焊接处的带钢熔化,最终完成焊接。2.1激光技术在晶片 /芯片加工领域的应用。目前业界讨论最多的激光划片技术主要有几种, 其主要特征都

7、是由激光直接 作用于晶圆切割道的表面, 以激光的能量使被作用表面的物质脱离, 达到去除和 切割的目的 但是这种工艺在工作过程中会产生巨大的热量,并导致对器件本身 的热损伤,甚至会产生热崩边 (Chipping,被剥离物的沉积 (Deposition等难以有 效解决的问题。 3ALSI公司开发的激光划片系统成功解决了激光划片工艺中的 一些技术问题,并将该系统推广到砷化镓晶圆厂,取得了较好的效果 TriQuint 公司 RFMD 公司是两个成功使用激光划片系统的典型 在这些公司, 使用激光切 割比传统的金刚石工艺能提高 5倍的产量, 这将为投资者带来极具吸引力的回报 激光切割不仅加工速度快,还尽可

8、能地减小了芯片的尺寸 有效地增加每块晶片 乃至整流器晶圆厂的产量。 112.2激光打标技术。 激光打标是一种非接触 无污染 无磨损的新标记工艺 近 年来, 随着激光器的可靠性和实用性的提高, 加上计算机技术的迅速发展和光学 器件的改进, 促进了激光打标技术的发展激光打标是利用高能量密度的激光束对 目标作用,使目标表面发生物理或化学的变化 , 从而获得可见图案的标记方式 高能量的激光束聚焦在材料表面上,使材料迅速汽化,形成凹坑 随着激光束在 材料表面有规律地移动同时控制激光的开断, 激光束也就在材料表面加工成了一 个指定的图案 激光打标与传统的标记工艺相比有明显的优点:(a 标记速度快, 字迹清

9、晰 永久; (b 非接触式加工,污染小,无磨损; (c 操作方便,防伪功能 强; (d 可以做到高速自动化运行,生产成本低在晶片加工过程中, 在晶片的特定位置制作激光标识码, 可有效增强晶片的 可追溯性,同时也为生产管理提供了一定的方便 目前,在晶片上制作激光标识 码是成为一种潜在的行业标准,广泛地应用于硅材料 锗材料。 123激光技术在机床工业中的应用:机床导轨和滑板直线度测量 在激光准直仪问世以前,准直技术主要是用拉 钢丝法或采用光学准直望远镜, 但它们都存在着一定的缺点。 由于激光具有良好 的方向性, 因而是准直技术理想的光源。 激光准直技术已在大型、 精密机床导轨 和滑板直线度测量中获

10、得应用。 在测量直线度时, 激光准直仪与光学准直望远镜相比有以下优点:测量结果无需进行数学处理。测量记录结果即为机床工作台 的运动误差曲线。 可同时测量垂直与水平方向的机床导轨 工作台的直线度, 故 大大提高了测量效率。 4在测量长导轨时, 光学准直望远镜由于光能损失较大, 故成像不够清晰。 而 激光准直仪无此缺点,可测量长达 20mm 以上的导轨运动的直线度。4激光清洗:激光清洗法是一种全新的清洗方法,它的出现源于激光独特的材料选择性:一定功率的 YAG 激光器能轻松地切割金属却不能穿透一纸的厚度, 而一定功 率的 CO2 激光器能轻易地切割木材 塑料却不能切割一铝箔 网穴中残余的 墨膜囤积

11、物多为非金属材质而网纹的材料多为金属, 这就为激光材料选择性的应 用提供了空间, 采用 CO2 激光清洗技术可以成功地对囤积物进行汽化却对网纹 丝毫没有破坏 5。激光清洗技术具有如下特点 :(1 它是一种 干式 清洗, 不需要清洁液或其它化学溶液, 因此没有化学 清洗产生的环境污染问题,并且清洁度比较理想;(2 清除污物的围和适用的基材围十分广泛;(3 激光清洗是一种非接触加工, 可方便地实现远距离操作, 如通过光导 纤维传输,清洗有些方法不易达到的部位 并且可避免传统清洗方法的近距离操 作对清洗物体表面的机械作用力容易损伤物体表面的缺点;(4 通过调控激光工艺参数, 可以在不损伤基材表面的基

12、础上, 有效去除 材料表面的不同类型的污染物,使表面干净如新 此外,激光清洗还可以方便地 实现自动化操作,符合智能印刷;(5 激光清洗设备可以长期使用, 一般只需要电费和维护费用, 长期使用 的运行成本比较低;(6 激光清洗技术是一种 绿色 清洗工艺,对环境基本上不造成污染 该技术还有望应用于国产压延铝板表面凹坑油脂的清洗,适合于 PS 版 或 CTP 版的生产线中铝板的预处理工艺。5激光技术在汽车工业中的应用 :在汽车工业中 , 激光加工通常以切割为主。 激光切割一般采用基模或低阶模大功率器 , 激光束经聚焦后具有极高的功率密度 , 可使材料产生汽化或熔化现 象。 由于金属表面对于波长为 1

13、016L m 的 CO 2 激光反射率高 , 为了提高切割速 度和切割质量 , 在切割金属工件往往吹送氧气或压缩空气 , 以提高切割效率 , 而 在切割易燃材料时则吹送氮气等惰性气体以防止燃烧。 6激光切割具有许多优点 : 缝窄 (011mm015mm , 节省材料 ; 工件热变形小 ; 只须定位而不需夹紧、划线 , 工件无机械应力及表面损伤 ; 能切割脆性材料 , 和极软、极硬的材料 , 包括淬火钢 ; 切口平行度好、切边洁净 , 可直接用于焊接 ; 切割速度高 (可达 10m m in 以上 , 无工具磨损 ; 易于实现数控或计算机控制 , 并可多工位操作等。现代激光切割技术已经发展成完备

14、的激光切割系统 , 除功率大、 模式好的激 光器外还配有滚珠丝杠传动的高精度工作台 , 由计算机控制 , 通过多坐标联动可 以实现各种复杂的平面或空间图形的切割 , 甚至还研制出加工精度更高、 柔性更 好的激光切割机器人。 7在许多国外汽车制造公司中 , 激光切割技术的应用非常普遍。 如在样车研制 和小批量生产中 , 常使用三维以上的激光切割加工系统 , 切割各种板件。在生产 线上 , 则采用激光切割机器人对已经冲压成型的部件进行在线立体切割。 高效激 光切割系统的应用 , 大幅度缩短了新车的研制时间和汽车的生产准备周期 , 使生 产实现了自动化和柔性化。 据报道 , 汽车制造中激光切割加工比

15、传统机械加工方 式的加工费用减少了 50%左右 , 且生产效率也得到了大幅度的提高。 13 可以预见 , 随着消费者对汽车日趋个性化的追求 , 小批量、多品种必然成为 汽车制造的潮流 , 且随着科技的发展 , 激光切割系统质量不断提高、价格逐渐下 降 , 激光切割技术将在汽车工业中获得更加广泛的应用。 14此外,汽车工业还使用到激光焊接,激光表面改性,激光检测,激光快速成 型,激光毛化技术 , 激光熔覆技术等等各类激光技术。 156. 激光在军事上的应用:6.1战舰用激光测距仪,是激光在海军最成功的也是最主要的应用,他主要和电视跟踪器、 红外跟踪器和大型计算机组成光电火控系统。这个火控系统在小

16、 型战舰上可以作为主要火控，在大型战舰可以作为辅助的火控系统。8 出来水面战舰用激光测距仪，潜艇潜望镜也用的激光测距仪，可见，这个测 距技术也是激光在军事上运用比较成熟的一个例子。 6.2 不过激光在军事上运用最成熟的应该是激光制导武器， 如激光制导导弹， 激光制导炸弹，激光制导炮弹，激光制导鱼雷等等。 激光制导导弹由三部分组成：导引头，战斗部、尾翼。激光制导导弹并不能 发射激光，主要是接受激光。激光和导弹也不是安装在一块的，它的发射作用于 两架飞机：一架叫激光照射机，一架是导弹携带机。激光照射机常在万米高空作 业，它完全避开了地面火炮（导弹）的射程；激光照射机在对地面欲打击目标进 行照射后，

17、 激光制导导弹的引导头立即接收到了回射的激光，经过滤光片由聚焦 透镜聚焦到探测仪上，形成误差信号；误差信号再经计算机变成控制信号，再传 送到另一飞机的执行系统最终操纵导弹飞向打击目标。还有反坦克和反舰两种。 9 所谓激光制导，就是以激光为信息载体，把导弹、炮弹或炸弹引向目标而实 施精确打击的先进技术。精准，是激光制导武器的鲜明特点，由于激光的单色性 好，光束的发散角小，敌方很难对制导系统实施有效干扰，因而使它具有了其他 制导方式无法匹敌的优势。 激光制导通常有“视线式”和“寻的式”。“视线式”的典型代表是激光驾束制导， “寻的式”的典型代表是激光半主动式寻的制导，也是目前最常用的激光制导方 式

18、。 激光驾束制导简言之就是激光制导系统瞄准目标并连续发射激光，位于弹尾 的激光接收器接收激光，控制弹体像“骑”着激光一样沿光束中心飞行。激光制导 武器自问世以来，便在现代战争显身手，备受世人关注。目前，世界各军事 强国都纷纷加强激光制导武器的研制。从激光制导技术的发展来看，其多样化的 发展趋势十分明显：智能化让激光主动寻的。远程化增大作用距离。小型化 减小制导系统的体积和重量。复合化着力发展复合制导。 此外，激光制导武器还在向采用对人眼安全波段、新的激光编码方式、以及 标准化和模块化方向发展。 6 现代激光技术在军事领域的广泛应用不仅可以提高现有常规武器的精确打 击能力， 还可为军队提供新型战

19、术战略武器。 激光技术在军事上除上述应用外 还有许多其他应用， 诸如激光拦截、 激光防护、 激光对抗、 激光引信等等。 它们的成功应用将大大提高军队在高技术战争中的对敌打击与自我防护能力。 同 时， 激光技术的民用化也大大促进了民用科技的迅速发展,如激光测速、 激光 反伪、 反偷拍等都将逐步替代这些领域原有的仪器或技术。10 此外，激光技术在光纤通信，船舶维修，在作物育种，在材料加工领域等等 方面的发展都是很可观的，未来发展的潜力也是非常巨大。 激光，自从人们认识到它优异的特性以后，便把激光用于各个行业的工业生 产，军事，科技探测。随着激光技术研究的逐渐深入，那些现在才刚刚技术起步 的技术，如

20、激光合金化与熔覆，激光毛化，激光纳米材料等，这些技术还有很大 的发展空间，未来也会有推进我国工业生产技术革新，提高生产率。随着军用激 光技术的不断成熟，不但可以使我们军事力量的提升，更加在战术，甚至在战略 上对我国军事部署有重大意义。 激光加工属于较为前沿的技术，但经过几十年的发展，已广泛应用于很多领 域。由于其激光加工可实现零误差，在精密加工上有着无可替代的地位。在未来 的某一天， 激光加工定会融入到生活应用的各方各面。与国际上激光加工系统相 比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的 4%左右。主要表现为： 高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光器不过关；微细激光加工装备缺口 较大

21、；而这些领域我国的生产 加工企业正在积蓄力量稳步进入，国应用市场 有很大发展空间。 预测不久， 我国激光加工销售额将会由 2008 年的 35 亿人民币 上升翻一倍， 也就是说会达到 70 亿元产值。 国各类制造业接受了激光加工技 术，它可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，为适应 21 世纪高新 技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。 目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤 其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。 随着科技的发展，激光技术必将得到更加广泛的应用于我们世界的各个方 面，使人类的

22、科技不断进步。 文献： 7 1孟献丰，陆春华，倪亚茹等、 激光技术的应用与防护J、红外与激光工程，2005， 34(2：136-141 2任宗刚、 激光技术在焊机中的应用J、本钢技术，2011，1：39-41 3洪星， 晓伟， 亚楠等、 激光技术在半导体行业中的应用J、 趋势与展望， 2010， 181：10-13 4荣烈润，激光技术在机床工业中的应用J、金属加工，2010，18：63-67 5汤文杰，汤文波，激光技术在印刷中的最新应用J、印刷世界，2011，3：10-11 6春青，树强，汽车工业中激光技术的应用J、工学院学报，2001，12(2： 64-66 7轶林，激光技术在汽车工业中的应

23、用J、工艺与装备，2010，9：64-66 8鸿旺，现代海军与激光技术应用J、军用光学仪器与技术，2001，7：30-33 9郭纲，周伟，叶名兰、激光技术在导弹和空天对抗中的应用J、飞航导弹，2009，2： 40-43 10任国光，高能激光武器发展现状与未来M、强激光研究与发展,2007( 4: 14-28 11Reza Asgari，3D、激光检测 支持微凸点技术J、半导体科技， 2009(4:33-34. 12 洪星，晓伟，Ge 单晶片的激光标识技术研究J.半导体技术， 2009， 34(7:676-678. 13 佟欣，激光焊接的特性及应用领域J 焊接工艺与应用，2000，29(3:11-15 14 宋传旺 ,明喜、纳米 CeO2 对激光熔覆 Ni 基合金组织与性能的影响J ，激 光技术 ,2006 ,30 (3 :228 - 230. 15录录 ,荣禄. 激光熔覆技术及工业应用研究进展J .热加工工艺 ,2007 ,36 (11 :59 - 60. 8 页脚