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, 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:
①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。
②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。
③激光加工过程中无“刀具”磨损,无“切削力”作用于工件。
④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。
⑤它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。
⑥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。
⑦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。 [2]
1.2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, 工仵就会在几毫秒内熔化和蒸发, 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 10.6μm 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 2~15kW 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。 [3]ALSI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。 [11]
2.2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。 [12]
3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张纸的厚度, 而一定功 率的 CO2 激光器能轻易地切割木材 塑料却不能切割一张铝箔 网穴中残余的 墨膜囤积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 清除污物的范围和适用的基材范围十分广泛;
(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内油脂的清洗,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 1016L 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 :
① 缝窄 (011mm~015mm , 节省材料 ; ② 工件热变形小 ;
③ 只须定位而不需夹紧、划线 , 工件无机械应力及表面损伤 ; ④ 能切割脆性材料 , 和极软、极硬的材料 , 包括淬火钢 ;