1 引言

　　由于激光具有方向性好、高能量和單色性好等一系列優點，自60年代初問世以來，就受到科研領域的高度重視。激光技術推動了諸多領域的迅猛發展，應用范圍越來越廣，在加工領域中的應用成果尤為顯著。

　　激光加工系指激光束作用于物體的表面而引起物體形狀的改變，或物體性能的改變的加工過程。按光與物質相互作用機理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。激光熱加工系指激光束作用于物體所引起的快速熱效應的各種加工過程;激光光化學反應加工系指激光束作用于物體，借助高密度高能量光子引發或控制光化學反應的各種加工過程，也稱為冷加工。熱加工和冷加工均可對金屬材料和非金屬材料進行切割、打孔、刻槽、標記等。熱加工對金屬材料進行焊接、表面強化、切割均極有利;冷加工則對光化學沉積、激光刻蝕、摻雜和氧化很合適。

　　按激光加工的應用類別分：切割約占40%，標刻和焊接各占20%，表面改性、打孔和微加工各占10%。當前用于激光加工的激光器主要有三類：CO2、Nd:YAG和準分子(KrF、ArF)激光器，但隨著半導體激光技術的迅速發展，使得二極管激光器、二極管泵浦全固體化激光器、光纖激光器和超短脈沖激光器必然進入材料加工業，特別在微細加工中的應用增長更快。激光加工應用的行業包括機械制造、紡機、醫療器械、汽車、航天航空、電子電器、電站電機、量具刃具、冶金、化工、包裝和工藝裝飾等。全球現有激光加工站約4000家。按其銷售量分：美國、日本和歐洲約各占1/3。

　　在發達國家的加工業中，已逐步進入“光加”時代。日本估計在本世紀，激光加工將占整個加工業的10%以上。目前，一些國際性大公司積極采用先進的激光加工技術，以提高產品的競爭力，如西門子公司在它的一條流水線上就采用了400多臺激光器。激光加工不僅技術先進，而且經濟效益顯著。美國在2000年用于材料加工的激光器預計達到20000臺。我國激光加工市場前景廣闊，預計平均以每年20～30%速率遞增，但在激光加工系統的可靠性、穩定性以及整體化、智能化、自動化水平與國外差距較大，這是制約我國激光加工技術進一步發展的關鍵所在，國家正在積極采取措施，加速我國激光加工產業化的進程和發展。

　　2 激光加工技術的特點與應用

　　2.1 激光加工技術的優異性能

　　激光具有亮度高、方向性強、單色性和相干性好等性能，加上激光的空間控制性和時間控制性很好，易獲得超短脈沖、尺度極小的光斑，能夠產生極高的能量密度和功率密度，足以融化世界上任何金屬和非金屬物質，特別適用于材料自動化加工，而且對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大。與計算機數控技術相結合，激光加工系統為優質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊道路，激光加工技術已成為工業生產自動化加工生產的關鍵技術，并具有普通加工技術所不能比擬的優勢。

　　激光加工為無接觸加工，其主要特點也就是無慣性，因此其加工速度快、無噪聲。由于光束的能量和光束的移動速度都是可以調節的，因而可以實現各種復雜面型的高精度的加工目的。且加工過程中無“刀具”磨損，對工件無“切削力”。

　　激光束不僅可聚焦，而且可以聚焦到亞微米量級，光斑內的能量密度或功率密度極高，用這樣小的光斑可以進行微區加工，也可以進行選擇性加工。它不僅可以進行金屬加工，還可以實現對非金屬的加工，特別適合于加工高硬度、高脆性及高熔點的材料，如鉆石打孔、金屬切割。

　　由于光束照射到物體表面是局部的，雖然加工部位的熱量很大、溫度很高，但移動速度快，對非照射的部位沒有什么影響。因此，其熱影響區很小。例如，在熱處理、切割、焊接過程中，加工工件基本無變形，可省去或減少后繼加工量。這一特點也可以成功地用于局部熱處理和顯像管的焊接。

　　激光加工不受電磁干擾。與電子束加工相比，其優越性就在于可以在大氣中進行。在大工件加工中，使用激光加工比使用電子束加工要方便得多。

　　激光束易于導向、聚焦和發散。根據加工要求，可以得到不同的光斑尺寸和功率密度。通過外光路系統可以使光束改變方向，因而可以和數控機床、機器人連接起來，構成各種加工系統。這是一種極靈活的柔性加工系統，對于改造傳統的機床和機器人是一種極好的方法。

　　激光加工技術具有的優越性使其在機械、電子、冶金、汽車、石油和國防等領域得到了廣泛應用，并產生了巨大的經濟效益和社會效益，應用前景是十分廣闊的。

　　2.2 激光加工技術應用現狀

　　激光加工技術是集光學、機械學、電子學、計算機學等為一體的高技術，是激光應用最有發展前途的領域。目前已開發出20多種激光加工技術，如雨后春筍般地應用于各個新工藝領域，如激光切割、激光打標、激光打孔、激光焊接、激光表面熱處理、激光快速成型、激光清洗、激光冗余修正、激光退火、激光光刻與存儲等。激光加工技術的出現是對傳統的加工工藝和加工方法具有重大影響的技術變革，很快被廣泛應用于汽車、電子電器、航空、冶金、機械制造等國民經濟重要行業，推動了工業的快速發展，并產生了巨大經濟效益。

　　2.2.1 激光加工技術在傳統制造業中的應用

　　(1)激光焊接：激光焊接是把激光聚焦成很細的高能量密度光束照射到工件上，使工件受熱熔化，然后冷卻得到焊縫。激光焊縫熔深大，速度快，效率高;激光焊縫窄，熱影響區很小，工件變形也很小，可實現精密焊接;激光焊縫結構均勻，晶粒很小，氣孔少，夾雜缺陷少，在機械性能，抗蝕性能和電磁學性能上優于常規焊接方法。激光焊接技術具有溶池凈化效應，能純凈焊縫金屬，適用于相同和不同金屬材料間的焊接。激光焊接能量密度高，對高熔點、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。目前，汽車行業將不同材質的薄鋼板實施激光拼接焊后沖壓成型，激光拼接焊取代了電焊，使得每輛轎車可節約100美元。德國新型奧迪A2的鋁車體中的激光焊縫長達30m。

　　在激光焊接技術研究與應用方面處于世界領先水平的國家有德國、日本、瑞士和美國等。激光焊接能夠實現的材料厚度最大已達80mm，最小為0.05mm，正朝著低成本、高質量的方向發展。

　　(2)激光切割：激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑，將材料快速加熱至汽化溫度，蒸發形成小孔洞，并使光束與材料相對移動，實現連續孔洞的窄切縫。脈沖激光適用于金屬材料，連續激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。與計算機控制的自動設備結合，激光束具有無限的仿形切割能力，切割軌跡修改方便;通過預先在計算機內設計，進行眾多復雜零件整張板排料，可實現多零件同時切割，節省材料。激光切割以其優越的性能成為現代工業應用中的第一大戶。在美國、德國、日本等發達國家，因其汽車工業的發達而使激光切割的使用比例達60%以上。

　　(3)激光打孔：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點，已成為現代制造領域的關鍵技術之一。目前，工業發達國家已將激光深微孔技術大規模地應用到飛機制造業、食品加工業、醫藥制造業等行業。進入90年代，激光打孔朝著多樣化、高速度、孔徑更微小的方向發展。例如，在飛機機翼上打上5萬個直徑為0.064mm的小孔，可以大大減小氣流對飛機的阻力，取得節油40%的效果。目前，激光可在3mm厚的不銹鋼板上以每秒65個孔的速度進行打孔，在1mm厚的不銹鋼板上的打孔速度可達100孔/s。我國在60年代就開始在鐘表行業中使用激光加工，對寶石軸承進行激光打孔，現已累計產值已達22億元。

　　(4)激光標記：激光標記技術是激光加工最大的應用領域之一。激光標記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生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種技術。通過計算機控制可實現各種文字、符號和圖案大小從毫米量到微米量級的標記，激光標記速度快，所標記線條、字符圖案清晰，且易于在生產線上更改標記符號(如每個工件一個編號)，對工件表面無作用力，不產生形變，對表面不產生腐蝕，對軟、硬表面都可標記。例如：激光加工幾平方毫米的集成塊元件和500×160mm2的計算機鍵盤，運用光化學作用，使塑料分子結構發生變化，從而使鍵盤表面的外觀顏色改變，呈現出我們所看到的不同字符，這可謂是治標治本，當然不會磨滅。由于光點的熱效應，標記的字符呈現凸出，可以實現鍵盤盲打。最近，美國某集成電路制造商已開發出壽命超15000小時光纖激光打標系統用于眾多半導體模制化合物、引底痤、晶片、陶瓷基底和包裝上形成清晰耐久的標記。

　　(5)激光表面熱處理：激光表面熱處理技術包括激光相變硬化技術、激光涂覆技術、激光合金化技術、激光沖擊強化技術等，這些技術對改變材料的機械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。

　　激光相變硬化(即激光淬火)是激光熱處理中研究最早、最多、進展最快、應用最廣的一種新工藝，適用于大多數材料和不同形狀零件的不同部位，可提高零件的耐磨性和疲勞強度，國外一些工業部門將該技術作為保證產品質量的手段。我國西安內燃機配件廠裝備24條發動機缸體激光淬火熱處理生產線，年處理缸套120萬套，缸套磨損壽命提高2-3倍。武漢鋼鐵公司、湖南漣源鋼鐵廠、湖北鄂城鋼鐵廠等裝備大型軋輥激光淬火設備后，延長了軋輥使用壽命，年節約成本上億元。

　　激光合金化和激光涂敷：激光合金化和激光涂覆是利用高功率激光束快速掃描金屬工件表面，使一種或多種合金元素與工件材料表面一起快速熔化再凝固，共同形成硬化層。其冷卻速度在104～1011℃/s，硬化層的深度通常小于1.5mm。激光表面合金化技術是材料表面局部改性處理的新方法，是未來應用潛力最大的表面改性技術之一，適用于航空、航天、兵器、核工業、汽車制造業中需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零件上。激光涂覆的熱處理方式也采用激光合金方式，因此與激光合金化有許多相似之處，其主要區別在于經激光作用后，其熔化深度僅僅涉及到工件材料表面下極薄一層，使其成分幾乎沒有進入涂層內，以保證涂層的化學成分基本上不變化，具有較高的性能。一般激光涂覆硬化層厚度為0.1～0.4mm。激光涂覆技術是在工業中獲得廣泛應用的激光表面改性技術之一，具有很好的經濟性，可大大提高產品的抗腐蝕性。通過激光Cr、Mo合金化，可使45號鋼表面的耐磨性提高1～2倍。而用Cr-Mo作為覆蓋層，對45號鋼進行激光Cr-Mo合金化，結果發現：通過激光Cr-Mo合金化，可使45號鋼表面合金層的熱疲勞裂紋的萌生期比其工件內部的材料高一個數量級以上，并且它比常用的熱處理模具鋼還要高5倍左右。

　　激光沖擊強化：激光沖擊強化使用脈沖寬度極短激光照射材料表面，可以產生106MPa高強度沖擊波，使得金屬材料的機械性能改善，阻止裂紋的產生和擴展，提高鋼、鋁、鈦等合金的強度和硬度，改善其抗疲勞性能。通過激光強化可以消除應力、改善微觀結構，提高工件表面的耐磨性、耐蝕性、耐高溫性，從而大大提高產品的質量，成倍地延長產品使用壽命和降低成本。例如：對鋼、鑄鐵、鈦和鋁合金，其疲勞強度增加25%～500%。目前人們正在將該技術應用于飛機制造業，以增強飛機發動機部件的抗疲勞強度。

　　2.2.2 激光加工技術在微電子行業應用

　　(1)激光光刻：掩模版上的電路圖形，在光照下或直接投影或縮小5～10倍后投影到硅片的感光膠(抗蝕劑)上，經過顯影步驟后，未被曝光部分的感光膠被溶解(負型感光膠)，或者被感光部分的感光膠被溶解(正型感光膠)。感光膠被溶解部分的硅片裸露出來，以便進行下一步的刻蝕、擴散或金屬淀積處理，獲得芯片的內部的實際結構制作。因為保留下來的感光膠起保護硅片的作用，這種特殊的感光膠通常又叫做抗蝕劑。能夠把集成電路的集成度越做越高，完全得益于微細加工技術的不斷進步。越來越多的晶體管元件集成在小的硅片上，一直是微電子工業界不懈的追求目標，尤其是近10年中，單位面積硅片上的晶體管集成度以每三年翻四番的速度增長。根據最近出席日本京都舉行的第一屆國際半導體技術討論會的人員得出結論，光刻技術的未來前景是光明的，下一代130nm芯片要用ArF準分子激光光刻制造，準分子激光仍是今后一段時間內光刻的主要工具。激光光刻技術比傳統的汞燈光刻技術工藝精細、可大幅度降低生產成本，可加工0.125～1μm寬的線，非常適合于超大規模集成電路的制造。光刻技術的未來前景是光明的，130nm這代芯片到2003年可能用193nm的ArF準分子激光光刻制造，這一線寬與16Gbit動態隨機存儲器(DRAM)的相當(見表1)。通過采用積極的光學近似校正和193 nm的曝光器具的相移技術，或以F2準分子激光技術為基礎的157nm曝光，光刻技術可能推進改革到100nm一代的芯片，其最小特征可達70nm。準分子激光光譜窄于汞弧燈高亮度輸出，同時縮短了芯片的曝光時間，提高了產量。

　　表1 集成電路芯片光刻比較表

　　(2)激光微調：激光微調是把激光束聚焦成很小的光點，對電阻導電膜進行切割(熔融、蒸發)，改變電阻導電體的有效導電面積或有效導電長度，達到精確調整電阻單元阻值的目的。激光微調技術可對指定電阻進行自動精密微調，精度可達0.01%～0.002%，比傳統加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調已廣泛用于生產，它是在大規模集成電路生產中最為成熟的工藝，是獲得高精度電路和高速生產的唯一方法。激光微調包括薄膜電阻(0.01～0.6μm厚)與厚膜電阻(20～50μm厚)的微調、電容的微調和混合集成電路的微調。目前，激光調阻設備每秒鐘可調200多個電阻。

　　(3)激光退火：激光退火最初是消除半導體中離子注入引起電路基體的破壞，并使注入雜質激活?，F在這項工作已伸展至很寬的范圍，有些情況已不存在離子注入的破壞，如硅化物形成、非晶物生長單晶、使化學沉積多晶形成大粒多晶等。這些技術為大規模集成電路的制造提供了新方法。它能形成陡峭又淺的p-n結，獲得比普通雜質激活法更高的摻雜濃度區，形成良好的連接。最有益的是為在非晶材料上生長晶狀半導體提供了一種較便宜的晶體制造方法，可形成有絕緣層的多層晶狀薄膜，為三維集成電路發展提供了可能性。激光退火技術是半導體加工的一種新工藝，效果比常規熱退火好得多。激光退火后，雜質的替位率可達到98%～99%，可使多晶硅的電阻率降到普通加熱退火的1/2～1/3，還可大大提高集成電路的集成度，使電路元件間的間隔縮小到0.5μm以下。

　　(4)激光存儲：光盤的制作分兩個階段，第一階段是激光刻制母盤既印模模具;第二階段是壓制生產用戶盤。在母盤刻制中，信息首先用激光錄制到優質盤形襯底的光致抗蝕劑上，這個過程稱為主錄。染料記錄層改用無機材料層，無機材料層可在晶態和非晶態之間轉換，并通過脈沖激光加熱又可變回來，實現對原有數據信息的擦除，并可重新錄制新的數據信息。激光存儲技術是利用激光來記錄視頻、音頻、文字資料及計算機信息的一種技術，是信息化時代的支撐技術之一。用聚碳酸酯襯底制作的盤片，結果使得DVD-Video和DVD-ROM盤的每張存儲信息達9.4GB，該容量特別適合存儲135min時間的電影。DVD、VCD光刻：光盤直徑：120mm，650Mbyte，數據凹坑：寬度小到0.6μm，深度小到0.12μm，長度1～2μm，幾億凹坑;螺距1.6μm，總長約5km，光刻激光器：3mW、波長為780nm的半導體激光器。不久，400nm左右的短波長激光器即將實用化，屆時DVD的容量將大大提高。

　　(5)激光劃線：隨著單晶硅襯底尺寸的不斷增大和超大規模集成芯片尺寸的逐漸減小，幾英寸晶片上制造的芯片數目達幾千片，在封裝這些芯片之前，必須將基片按芯片的布局進行切斷。與過去的超薄金鋼石砂輪切割相比，激光劃線是非接觸切斷，無切削粉末和冷卻液污染，切口光滑，精度高。目前激光劃線技術已成為生產集成電路的關鍵技術，其劃線細、精度高(線寬為15～25μm，槽深為5～200μm)，加工速度快(可達200mm/s)，成品率可達99.5%以上。目前，英國石英公司正在試驗使用激光劃線技術提高太陽能電池的效率。他們在石英被涂覆之前，用激光在其上刻劃出柵格，以此增大電子密度，從而將普通的太陽能電池的轉換效率從12%提高到17%。

　　(6)激光清洗：使用短脈沖的紫外激光照射基片，基片吸收光子的能量其表面溫度發生變化而產生熱膨脹，導致吸附在基片表面上的微粒和油脂克服吸附力的束縛而向前噴射，使基片實現清洗。采用KrF準分子激光能夠將直徑0.180μm的顆粒去除，包括金屬碎片、光致抗蝕劑屑、金屬離子、有機薄膜等，顆粒減少達96%。激光干式清洗工藝較目前的濕式化學清洗工藝有許多優點，該工藝不留痕跡因而不損壞芯片表面，特別適合于清洗極高分辨率光刻所需的芯片。激光清洗技術的采用可大大減少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。清潔一塊6英寸芯片所需要時間目前約為1min。使用該工藝，可節省10%的建造新工廠的費用，如建造一個10億美元的工廠則可節省1億美元以上。此外，由于每年可減少上百萬升清潔芯片的超純凈水，制造商可節省20%的運轉費，部分是傳統清洗法所需的有毒化學試劑的費用。目前，芯片制造商用濕式清洗一塊150mm芯片要花費7.35美元，而該項激光清洗新工藝可將此費用減少67.85%。

　　2.2.3 激光加工在其他行業應用

　　(1)激光快速成型：激光快速成形技術集成了激光技術、CAD/CAM技術和材料技術的最新成果，根據計算機設計出的零件的CAD模型立體圖形，直接制造出模型，它制造模型的辦法是在一層接一層的基礎上不斷添加材料。與此相反，傳統的制造過程是從一大塊原料上開始，逐步削掉不需要的部份。激光快速成型正對機械制造的工序流程和制造技術方面進行一種徹底的變革。激光快速成型不僅能用來評估零件的形態和裝配，而且還能反應零件的功能性。最近，快速原型制造法的模型已用來制造加工模具，再用這些模具去生產功能性原型。這些加工模具還被用來進行有限的產品生產，其中許多這樣的模具能進行1000次以上的操作。目前正朝著直接制造加工模具方向努力，許多廠商在這方面已獲得成功。該技術已在航空航天、電子、汽車、家電等工業領域得到廣泛應用。

　　(2)激光毛化：激光毛化是用特殊調制的脈沖激光，將其聚焦照射到軋輥表面，高能量密度的光斑使得軋輥表面小區間的溫度升到數千度，形成一個微小熔池，獲得軋輥表面的毛化。然后在薄板軋制或平整過程中，軋輥面上的凸臺在板面上再形成許多變形硬化微坑，以形成激光毛化板。激光毛化軋輥表面粗糙度均勻、可控，能明顯改善毛化板深沖性能和涂鍍性能，而且還可以延長軋輥使用壽命;激光毛化過程無噪聲、無污染，是一種清潔文明的生產工藝。激光毛化可以使普通冷軋薄板(帶)的質量大大提高。天津冷軋薄板廠由于采用了激光毛化技術，將面臨倒閉的企業起死回生，僅1995年生產了6億元的激光毛化鋼板，出口創匯數千萬美元。

　　(3)激光制版：激光的出現引發了印刷工業中的一場革命?，F代社會中，信息的作用越來越重要。誰掌握的信息越迅速、越準確、越豐富，誰也就更加掌握了主動權，也就有更多成功的機會。因此在信息傳播中，加快印刷速度，縮短出版周期也就有了相當重要的意義。激光照排是將文字通過計算機分解為點陣，然后控制激光在感光底片上掃描，用曝光點的點陣組成文字和圖像?，F在我國已廣泛應用的漢字排版技術就采用了激光照排，它比古老的鉛字排版工效至少提高5倍。目前，正在研制的激光直接制版技術，可以實現激光直接掃描到PS印版上，與激光照排技術相比，可以省去軟膠片的曝光、沖洗和拼版、曬版等工藝，大大地提高了印版的質量和制版效率。

　　(4)激光刻蝕：印染網激光雕刻是用高功率密度的激光作用在涂膠的鎳網輥表面上，通過計算機及專業軟件，控制激光按印染花樣的要求掃描。生物芯片和布拉格光纖光柵的刻蝕。其中布拉格光纖光柵主要用于光纖通信，所以需求量極大。用于激光刻蝕的激光器主要有準分子激光器、銅蒸氣激光器和倍頻氬離子激光器。

　　(5)激光雕刻：激光雕刻就是利用高能量密度的聚焦激光柬代替傳統的鑿子和刻刀，對工件多余的部分去除雕刻，形成一定的形貌。像傳統雕刻一樣，分鏤空雕刻和普通刻劃雕刻兩類。激光可用于仿古家具的鏤空雕刻，石碑碑文和原子印章雕刻。其中激光雕刻原子印章技術的出現，使印章業跨入了大規?，F代化生產時期。其優點在于能大批量生產，效率大為提高。目前我國印章雕刻用的CO2激光雕刻系統已批量生產，并滿足于市場需求。

　　(6)激光強化電鍍：激光強化電鍍技術可提高金屬的沉積速度，速度比無激光照射快1000倍，對微型開關、精密儀器零件、微電子器件和大規模集成電路的生產和修補具有重大意義。使用該技術可使電鍍層的牢固度提高100～1000倍。

　　還有激光精細加工技術如激光焊接醫療器械部件——超常規注射系統(不需要針頭和無痛苦藥物傳遞系統BOCGascs，一次性使用，全球需求量為200億次/年)、激光冗長修復加工技術、激光捕獲細胞器的光鑷技術等等在這里就不一一贅述了。

　　3 制約我國激光加工技術發展的幾個關鍵問題

　　3.1 激光器的質量

　　作為激光加工機械核心的激光器的質量仍是制約激光加工技術發展的關鍵因素之一，因為激光器的輸出參數如功率、能量的穩定性、光束質量、器件的可靠性都影響著激光加工的成品率及效益。因此發展和完善檢測技術，提高光束質量是激光加工應用技術首要解決的問題，也是促進激光加工業發展的一項重要措施。光束質量的實時在線監測并控制調整加工機械的工作狀態可保證加工質量，國外商品化的激光加工裝置幾乎都配備激光監視系統和可供用戶參考的工藝參數與方案。而國內尚無檢測系統與整機配套的定型產品。

　　3.2 激光加工工藝技術

　　激光加工質量的保證和提高在很大程度上是取決于成熟的激光加工工藝技術，即確定加工的最佳工藝參數，它是隨激光技術不斷發展并經過大量的應用研究與實踐而逐漸積累完善起來的?？梢赃@么說，激光加工技術的發展，就是激光加工工藝技術的提高和完善。實時檢測系統為激光加工機的研制生產提供研究加工工藝的手段，在此基礎之上應該進一步從單純監測走向監控，實現對最佳加工光參量的實現控制，保證用戶在使用時的效果。

　　3.3 導光系統

　　導光聚焦系統是激光加工系統的重要配套設備，因為激光的聚焦光斑直徑、焦平面和焦深，在不同的位置將發生很大的變化，這會對加工質量帶來嚴重的影響。在加工機的導光系統中國外已有400μm芯徑的光纖傳輸高光束質量的5kW功率的激光束?？招竟軤罟饫w傳輸技術的進步提高了激光加工導光系統的柔性化程度和光轉換效率。而且使CO2、Er:YAG激光系統更加實用化。

　　3.4 高速傳動與精密定位系統

　　激光加工通常是光、機、電一體化系統，除激光器外，還要對加工件進行傳動、裝卸和定位，隨著加工精度的提高和工藝化在線生產的要求，傳動速度和系統精度越來越高。例如，美國某公司生產的激光調阻器，其調阻速度高達12000個/min，位置精度小于5μm。

　　在我國由于科技支撐能力不強，不僅存在以上幾個制約激光加工產業發展的關鍵技術問題，還有研發成果的推廣和激光加工市場的培育問題(科研成果轉化為生產力的機制較差)，眾多應用企業對激光加工的優越性和重要性嚴重認識不足，有待于激光加工科普的宣傳，早日縮短與國外的差距。

　　4 激光加工市場分析

　　4.1 全球激光產業回顧與市場分析

　　2000年全球激光產業得到了迅速增長。2000年全球激光器市場總銷售額預測為63億美元，其中半導體激光占69%，約為43億美元，通信激光器為29億美元，占該市場總銷售額的46%。實際上，由于光通信的快速發展，半導體激光器增長速度驚人，2000年全年市場銷售額達到51億美元，比1999年的22億美元大幅增長了132%，接近年初預測值69%的2倍。結果導致2000年全球激光器市場總銷售額高達88億美元，比1999年大幅增長了79%。

　　由于2000年激光產業的快速增長和當前激光通信行業過熱，使得人們對2001年的全球激光器市場預測有些憂郁，期望該市場總銷售額達到115億美元，同比去年增長30%，其中非半導體激光器產業增長13%，用于光通信和光存儲的半導體激光器分別增長37%和32%。

　　在全球都將注意力集中在光通信產業時，2000年度通信以外的其他激光器產業比預期的增長了18%，達到了38億美元，同比1999年增長了44%。預計，2001年該市場將進一步增長21%，達到46億美元，其中，就非半導體激光器產業而言，2000年的市場銷售額比年初預計的增加了14%，達到了22億美元，同比1999年增長了26%。預計，2001年該市場再增長13%，達到25億美元。除通信以外，世界半導體器件市場2000年比1999年增長了37%，而2001年還要增長27%。2000年二極管激光器的全球銷售額達到65.9億美元，比1999年31.7億美元增長了108%，比1999年預期的增長多得多，總的來看，2001年二極管激光器市場呈增長勢頭，預計為36.2%。圖1為二極管激光器及非二極管激光的1997～2001年的銷售情況。

　　在工業應用方面，2000年成為激光產業新的里程碑。激光系統設備市場銷售額突破30億美元，工業激光超過10億美元，其中增長較快的是半導體泵浦激光系統和準分子激光系統，同比上年增長了20%和23%，這主要得益于它們被廣泛用于材料處理。由于半導體工業將轉向150nm、130nm準分子光刻系統和300mm基片、銅導電層的晶片，2001年半導體材料加工市場預期增加30%。預計，2001年激光材料加工將再增加17%，非半導體激光材料加工市場銷售額將達到16億美元，其中準分子光刻系統將增長35～40%。

　　圖1 1997～2001年世界商品化激光器銷售總額

　　在金屬加工市場方面，2000年總銷售比預計下降了5%，即2000年比1999年增長了10%，但2001年預計能增長11%。

　　二極管激光器打入激光材料市場的迅猛勢頭未減，2000年用于材料加工的二極管激光器銷售雖然較1999年有所減少(因統計不連續性造成的不準確)，但預計2001年增長61%，其中使用二極管激光器的大功率系統增長最大。根據Optech資料表明，工業激光加工系統需求旺盛(見圖2)，尤其集中在東南亞市場。圖3為2000年與2001年用于材料加工(含相關的通信、光存儲二次加工)的二極管與非二極管銷售情況對照。

　　圖2 1986年以來全球工業激光加工系統(CO2，Nd:YAG和二極管激光器)需求對照

　　4.2 國外激光產業現狀

　　2000年，由于美國經濟的高速增長，帶動了全球經濟復蘇。目前，美國、日本、德國三個國家激光產業的發展代表了當今世界激光產業發展水平。1998年全球激光產業產值達60億美元，其中三大市場分別為：美國(包括北美)占55%，歐洲占22%，日本和太平洋地區占23%。激光器銷售額為38億美元，比1997年增長19%。

　　在美國比較著名的激光公司有：相干公司、光譜物理公司、聯合工藝(URTC)公司、PRC公司、燃燒工程公司、Lumonics公司、Synrad公司、Marted Lasers公司、Electrox公司和ESI公司等。相干公司和光譜物理公司是美國最大的兩個激光公司，占美國激光公司總銷售額的40%以上。光譜物理公司的工業激光部的高功率CO2激光器股權已為德國Rofin-Sinar公司所收購，主要生產1.5～6kW橫流CO2激光器;聯合工藝公司主要生產5～30kW高功率橫流CO2激光器，并且和德國一公司合資在德國制造這類設備;PRC公司主要生產0.5～3.5kW軸快流CO2激光器，現已累計銷售了1000臺高功率CO2激光器;燃燒工程公司生產1kW、5kW和10kW的高功率橫流CO2激光器(以色列MLI公司的專利);Synrad公司主要生產500W以下封離型射頻激勵CO2激光器。

　　圖3 用于材料加工的商品化激光器銷售情況對照

　　美國是世界上最早建立激光加工站的國家，許多加工站建立于70年代中期，1996年的統計結果表明，美國激光加工站的年收入已逾60～80億美元，在美國激光加工站已超過1765家，這對于在美國推廣激光加工技術起著重要的作用。1999年美國激光加工站已增至2700家。

　　統計表明，日本占當今世界上工業用激光設備的30%左右，激光加工是日本重要的基礎制造技術之一。日本生產CO2激光器的廠商有60家，生產CO2激光加工機的主要制造廠商為三菱電氣、松下電氣、Amada和Mazak等公司，占日本激光加工市場70%左右。另外德國Rofin-Sinar激光公司和日本Marubeni及Nippei Toyama公司合資經營，德國的Trumpf激光技術公司和日本石川島播磨重工合資經營，這表明德國的CO2激光加工機已進入了日本激光加工市場。日本生產YAG激光器的有日本電氣、富士電視、東芝等30家生產廠家。由于近幾年日本經濟不景氣，激光產業受到了較大沖擊，不僅沒有增長反而出現了一定的倒退。

　　德國比較著名的研究所和中心有：夫朗和費激光技術研究所、柏林固體激光研究所、漢諾威激光中心、斯圖加特光束應用研究中心等。德國企業(主要是Rofin-Sinar激光公司、Trumpf激光技術公司、Haas固體激光公司、Lambda Physik公司等)幾乎占了世界市場的40%，處于領先地位。在激光光源方面CO2占42%，Nd:YAG占35%;在激光系統方面CO2激光加工系統占56%，YAG激光加工系統占40%。CO2激光加工系統Trumpf公司是自行配套，而Rofin-Sinar公司則與格瑞斯海姆有限公司合作配套，已形成Lascontur系列激光加工機。Rofin-Sinar公司2000年第二季度的銷售額同比增長60%，這主要得利于貝塞爾激光技術的應用和將半導體泵浦的數千瓦固體激光器用于歐洲的汽車行業。Trumpf公司2000年激光產業銷售額增長了15%，近幾年德國激光產業的出口增長表明，在國際上德國企業有強大的競爭能力，其激光工業目前仍處于上升階段。

　　德國為了推廣激光加工技術，除了建立9個國家級激光中心外，還大量建立激光加工站;同時在大、中、小型企業積極建立激光加工生產線。為此，在“激光2000”計劃中特別提供500萬馬克(25個項目)/年，向批準有激光加工技術項目的中小廠每個項目資助20萬馬克。

　　以美國、日本、德國為首的西方工業發達國家非常重視激光技術的發展與應用，把激光技術列入國家級發展計劃中，例如美國的“激光核聚變計劃”、德國的“激光2000”、英國的“阿維爾計劃”、日本的“激光研究五年計劃”等，形成了如德國的通快公司(Trumpf)，美國的相干公司(Coherent)、Synard公司等世界知名激光公司。俄國對發展激光技術也奮起直追，制定和提出“激光技術服務于俄羅斯經濟”國際專項綱要，重點支持在1996～2005年“國家技術庫”聯邦專項綱要中設立“發展光電子和激光技術”專項。

　　4.3 我國激光產業現狀

　　國家“六五”至“九五”期間對激光技術基礎研究的大力投入，已在北京、上海、武漢三地形成中國激光研究、應用的三足鼎立之勢。據統計，我國激光產業的總銷售額在“八五”期間達到125.32億元，平均年增長率達2.33倍，其中排在第一位的是光存儲，第二位是測距、準直，第三位是激光醫療，第四位是激光加工設備。

　　中國光電子協會提出的國家激光產業發展戰略是：以世界激光產業發展趨勢和國內外市場為導向，以國內建設和人民生活急需的重要項目為龍頭，集中力量，發揮優勢，采取重點突破，組織和建立多種投資體制的產業集團，逐步形成規模生產，加速激光產品商品化、產業化和國際化進程，爭取在2010年國內激光產品銷售額達到400億元。中國激光產業應盡快進行地區性、全國性的兼并重組，組建大激光產業集團，才能在中國加入WTO后抵御國外激光企業的挑戰。

　　我國目前從事激光器及激光應用設備生產的廠家達500多家，其中有5個國家級的激光技術研究中心、10多個研究機構，全國有21個省、市、地區生產和銷售激光產品，主要分布在湖北、上海、江蘇和北京。從事激光加工系統開發和生產的主要單位有：大恒科技、華工科技、電子十一所、楚天、上海激光(集團)總公司、大族公司等。

　　近年來，我國激光市場以15%左右的年平均發展速度增長，1999年的銷售總額達到11.84億元，比1988年增長了23%，其中創匯1525.2萬美元，預計2000年比1999年增長15%，達13億元，表2為1999年產品的銷售額應用分類與1998年比較。

　　5 激光加工技術的發展與展望

　　激光加工技術是對傳統加工技術的革命，隨著我國經濟的迅速發展和產業的升級以及激光技術的不斷推廣應用，激光產品將有非常廣闊的市場前景。

　　我國在光電子技術方面是與國際水平差距較小的一個領域，與發達國家幾乎同時起步。1960年，世界第一臺紅寶石激光器問世，第二年，我國第一臺紅寶石激光器就研制成功了，此后我國激光技術迅速發展，特別是在改革開放后，以激光為特色的光電子信息產業作為一支產業新軍迅速崛起。專家們認為，在激光科研領域我國并不落后，可以說，國外已有的激光技術，我國也都研究開發過，但真正達到應用的還不多，特別是在微電子、汽車、機械制造這些領域，激光技術還沒有發揮出應有的作用。

　　表2 1998、1999年全國激光產品銷售按應用、器件分類統計

　　激光加工作為信息時代的一種新型加工工藝，對提高產品質量、勞動生產率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用，既得到其他高新技術發展的有力支撐，又受到社會經濟迅速發展強烈要求的牽引，正保持著強勁的發展勢頭。預期它將沿著以下一些方向發展：

　　1.數控化和綜合化

　　把激光器與計算機數控技術、先進的光學系統以及高精度和自動化的工件定位相結合，形成研制和生產加工中心，已成為激光加工發展的一個重要趨勢。

　　2.小型化和組合化

　　國外已把激光切割和模具沖壓兩種加工方法組合在一臺機床上，制成激光沖床，它兼有激光切割的多功能性和沖壓加工的高速高效的特點，可完成切割復雜外形、打孔、打標、劃線等加工。

　　3.高頻度和高可靠性

　　目前，國外脈沖YAG激光器的重復率已達2000Hz，連續二極管泵浦的YAG激光系統輸出功率已達10kW，100W的器件已商品化。二極管陣列泵浦的Nd:YAG激光器的平均維修時間已從原來的幾百小時提高到1～2萬小時。最近Jenoptik Laserdiode公司已研制出了2kW的二極管激光器，其快慢軸光束參數積<200 mm·mrad，可直接用于激光加工。

　　4.超快和紫外激光加工

　　適用微電子、微機械和分子生物學發展的需要，利用波長更短的激光，包括X射線激光、其它固體激光的高次諧波、特別是準分子激光，發展亞微米和納米加工，如打極小的孔、刻極微細的槽、進行極微細的三維雕刻、納米機電零件的清洗與搬運等。同時，可用激光對生物細胞及其中的染色體進行切割、搬運和改造，成為生物工程和醫學研究的一種精密工具。目前，全固化266nm的紫外激光器輸出功率已達20W;193nm準分子激光已達到10W、4kHz。

　　總之，激光加工是21世紀最具競爭力的先進加工技術，展望它的發展前景是十分廣闊的。

　　我國科技部提出的“十五”激光項目設想是，把握激光技術發展中的新機遇，利用產業結構調整和科研體制改革帶來的有利條件，以激光加工技術為重點，在“攻關鍵技術、抓示范應用、建推廣體系”這三個有機結合的層次上，重點解決激光產業化的關鍵技術、重點制造業中急需的激光加工集成裝備以及激光技術推廣應用的服務體系等，使我國激光加工朝高穩定、整體化、智能化、柔性化方向發展，進而促進傳統產業技術升級和激光產業的發展。