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激光由于其具有很好的單色性、相干性、方向性和高能量密度等特性，隨著技術(shù)的進(jìn)步，日益廣泛地被應(yīng)用于各類(lèi)制造服務(wù)中，精密激光正不斷地滲透入傳統(tǒng)加工中。傳統(tǒng)的打孔方法在許多場(chǎng)合已不能滿(mǎn)足需求，如在堅(jiān)硬的碳化鎢合金上加工直徑為幾十微米的小孔；在硬而脆的紅、藍(lán)寶石上加工幾百微米直徑的深孔等，用常規(guī)的機(jī)械加工方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而激光束的瞬時(shí)功率密度高達(dá)108W/cm2，可在短時(shí)間內(nèi)將材料加熱到熔點(diǎn)或沸點(diǎn)，可以很容易地在上述材料上實(shí)現(xiàn)打孔。與電子束、電解、電火花和機(jī)械打孔相比，激光打孔質(zhì)量好、重復(fù)精度高、通用性強(qiáng)、效率高、成本低及綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。激光精密打孔已經(jīng)達(dá)到很高的水平，可以加工直徑從20um到80um的微孔，并且其直徑與深度之比可達(dá)1：80。激光束還可以在脆性材料如陶瓷上加工各種微小的異型孔如盲孔、方孔等，這些都是普通機(jī)械加工無(wú)法做到的。
精密激光制造是新興的加工方法，正在滲透入傳統(tǒng)制造中，逐步替代和突破傳統(tǒng)的制造方法，未來(lái)發(fā)展空間巨大。激光技術(shù)應(yīng)用是當(dāng)今全球發(fā)展最快、最活躍的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，如汽車(chē)、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械等制造領(lǐng)域，激光正在替代傳統(tǒng)的機(jī)械、化學(xué)等加工工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬和非金屬材料的切割、焊接、表面處理、鉆孔以及微加工等。與此同時(shí)，隨著激光加工技術(shù)的不斷進(jìn)步以及工業(yè)化生產(chǎn)的不斷升級(jí)，激光加工領(lǐng)域不斷拓寬，作為新的應(yīng)用領(lǐng)域，高科技材料（如單晶硅、不易加工的金屬等）的應(yīng)用增長(zhǎng)迅速，其中的激光應(yīng)用銷(xiāo)售市場(chǎng)也在快速增長(zhǎng)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，激光在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用還包括：大規(guī)模集成電路的光刻技術(shù)，印刷電路板打孔技術(shù)，鐘表零件制造與首飾加工等領(lǐng)域。
社會(huì)分工越來(lái)越細(xì)，專(zhuān)業(yè)化程度越來(lái)越高，是歷史發(fā)展的必然趨勢(shì)。企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的大小主要是由生產(chǎn)要素中最薄弱的要素來(lái)決定，企業(yè)要將每個(gè)要素都做到最好是不現(xiàn)實(shí)的，世界上沒(méi)有一個(gè)全能企業(yè)�，F(xiàn)代企業(yè)專(zhuān)注于把內(nèi)部資源集中在最具核心優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目上，而把非優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目外包，這是提升競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的有效路徑。業(yè)務(wù)外包已成為當(dāng)今全球新一輪產(chǎn)業(yè)革命和轉(zhuǎn)移中不可逆轉(zhuǎn)的必然趨勢(shì)。精密激光制造和服務(wù)外包必要性主要體現(xiàn)在：
第一、減少浪費(fèi)性競(jìng)爭(zhēng)。生產(chǎn)精密激光加工產(chǎn)品不僅要求投入大量的資金用于購(gòu)買(mǎi)激光加工設(shè)備，同時(shí)由于應(yīng)用技術(shù)性強(qiáng)還要配備相關(guān)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員。通過(guò)將精密激光制造外包，可以節(jié)省大量資金和人力投入。
第二、獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)。通過(guò)協(xié)作外包建立大規(guī)模專(zhuān)業(yè)化分工體系，可以從規(guī)模經(jīng)濟(jì)中獲得經(jīng)濟(jì)效益，使各參與分工的單位分享規(guī)模經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的利益。
第三、降低企業(yè)成本。相對(duì)于機(jī)械、電化等傳統(tǒng)的加工手段，精密激光加工設(shè)備價(jià)值高昂，外包有利于提高加工設(shè)備的利用率，降低加工成本。大企業(yè)可以通過(guò)生產(chǎn)一體化來(lái)降低生產(chǎn)成本，但是分工過(guò)細(xì)又會(huì)使一體化的成本上升。當(dāng)大企業(yè)的市場(chǎng)交易成本小于一體化成本時(shí)，大企業(yè)往往通過(guò)分工協(xié)作方式，將部分業(yè)務(wù)外包，通過(guò)市場(chǎng)交易來(lái)滿(mǎn)足自己所需的服務(wù)或中間產(chǎn)品，從而降低企業(yè)的總成本。
從國(guó)外多年應(yīng)用的實(shí)際情況來(lái)看，精密激光制造和服務(wù)專(zhuān)業(yè)化程度和外包比例較高，這是和現(xiàn)代制造業(yè)社會(huì)分工專(zhuān)業(yè)化、規(guī)�；�(biāo)準(zhǔn)化相吻合，也是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)充分競(jìng)爭(zhēng)的必然結(jié)果。精密激光制造投資大，技術(shù)要求高，精密激光制造需求一般通過(guò)外包方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，精密激光制造和服務(wù)專(zhuān)業(yè)化是一種有效的經(jīng)營(yíng)模式，由此催生了一批專(zhuān)業(yè)從事精密激光制造和服務(wù)的企業(yè)，帶來(lái)了精密激光制造和服務(wù)行業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展。
由于人們對(duì)器件尺寸的要求越來(lái)越小，物理尺寸也越來(lái)越小，需要精度更高、加工速度更快、加工尺寸越小的技術(shù)出現(xiàn)，激光是最有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Richard Feynman早在50年代末就曾預(yù)言，制造技術(shù)將沿著從大到小的途徑發(fā)展，即用大機(jī)器制造出小機(jī)器，用這種小機(jī)器又能制造出更小的機(jī)器，并由此在微小尺度領(lǐng)域制造出一代代的批量加工工具�？茖W(xué)技術(shù)的革命證實(shí)了Feynman的預(yù)言。微電子技術(shù)的出現(xiàn)就是最有說(shuō)服力的例子，從集成到大規(guī)模集成到超大規(guī)模集成技術(shù)的迅猛發(fā)展中，已經(jīng)顯示出未來(lái)的制造技術(shù)必將沿著“越來(lái)越小”的方向進(jìn)軍。20世紀(jì)把電子技術(shù)的主要功能高度集成在一起，形成了世紀(jì)標(biāo)志的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并滲透到人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。21世紀(jì)則是多門(mén)學(xué)科的集成技術(shù)，即把微電子、微光學(xué)、微機(jī)械以及傳感器、執(zhí)行器的信號(hào)處理單元集成在一起的微納制造和微系統(tǒng)技術(shù)。微納制造技術(shù)與功能微系統(tǒng)將成為21世紀(jì)高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的里程碑，其發(fā)展將使人類(lèi)在認(rèn)識(shí)和改造自然的能力上達(dá)到一個(gè)新的高度，導(dǎo)致人類(lèi)生活和社會(huì)物質(zhì)文明及科學(xué)技術(shù)的巨大變革。精密加工正是這種需要下發(fā)展起來(lái)的，精密激光制造和服務(wù)是未來(lái)制造的發(fā)展方向。
超快激光器用于超精密加工
功率強(qiáng)度和脈寬是影響激光束如何與材料相互作用的關(guān)鍵因素。在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)，材料吸收一部分光能，將其轉(zhuǎn)換成熱量，熱量會(huì)通過(guò)材料傳導(dǎo)。如果光束足夠強(qiáng)，便能熔化材料，熔化的材料會(huì)將熱量傳遞到周?chē)鷧^(qū)域。對(duì)于短至納秒級(jí)時(shí)間尺度的脈沖加工而言，吸收、熔化和熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)地位。
當(dāng)脈沖能量以短于約100ps的時(shí)間尺度傳輸時(shí)，根據(jù)材料的不同情況會(huì)發(fā)生顯著變化。隨著脈沖峰值功率的增加，峰值強(qiáng)度急劇上升。例如，持續(xù)1ps的微焦級(jí)脈沖的峰值功率為1MW，當(dāng)它聚焦為5μm的光斑時(shí)，可產(chǎn)生約4×1012W/cm2的峰值強(qiáng)度，這足以剝離外層電子。激光與材料相互作用的時(shí)間是如此之短，以至于離子在能夠?qū)⒛芰總鲗?dǎo)到底層材料之前，就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉了。與光強(qiáng)較低的情況相比，在這種燒蝕模式下，能量傳導(dǎo)受材料吸收的影響較小，但是也會(huì)受到材料種類(lèi)和激光波長(zhǎng)的影響。例如，紫外脈沖比近紅外脈沖更適合切割玻璃之類(lèi)的透明材料，而近紅外脈沖在玻璃中的傳輸性能更好。
這種加工通常也被稱(chēng)為"冷燒蝕"。雖然材料表面在片刻間就變得非常熱，但是離子在其加熱或損傷底層材料之前就已經(jīng)被燒蝕掉了，如圖1所示。因此皮秒或飛秒激光脈沖能夠從精細(xì)或易碎材料中無(wú)損去除非常薄的表層。波蘭研究人員已經(jīng)使用強(qiáng)度僅在燒蝕閾值之上的70ps脈沖去除油畫(huà)表面的透明清漆，并利用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)監(jiān)控整個(gè)去除過(guò)程。美國(guó)Photonics Industries公司的Joyce Kilmer說(shuō)："皮秒激光器能夠?qū)D案寫(xiě)到火柴頭上，卻不會(huì)讓火柴點(diǎn)燃。"
圖1：納秒脈沖和飛秒脈沖加工效果的對(duì)比。
左圖中的納秒脈沖在燒蝕前會(huì)熔化表面材料，并將熱量傳遞到鄰近區(qū)域，從而影響許多材料。右圖中的飛秒脈沖通過(guò)多光子離子化燒蝕材料，只有很少的熱量傳遞到鄰近的材料中。
一般而言，由于皮秒脈沖的能量通常更高，因此皮秒燒蝕的速度更快；相比之下，飛秒燒蝕往往會(huì)產(chǎn)生更平滑、更精密的加工表面。實(shí)際加工性能取決于脈沖參數(shù)、目標(biāo)材料以及其他方面的考慮。由于燒蝕是將一團(tuán)材料爆散到光路中，因此重復(fù)頻率是很重要的因素。對(duì)于兆赫茲的重復(fù)頻率，可能在下一個(gè)脈沖發(fā)射之前，上一個(gè)脈沖產(chǎn)生的材料還沒(méi)有足夠的時(shí)間消散。千赫茲的重復(fù)頻率有足夠的時(shí)間讓材料消散，所以對(duì)精密去除材料可能更加有效。
適用的材料
冷燒蝕加工適用于一系列材料，包括金屬、半導(dǎo)體、玻璃、晶體和陶瓷。冷燒蝕的典型能量密度閾值在0.05~5J/cm2的范圍內(nèi)，表1中給出了材料對(duì)摻鐿光纖激光器和鈦寶石激光器發(fā)射的飛秒脈沖的典型閾值。
超短脈沖對(duì)切割或加工易碎材料特別有吸引力，包括玻璃、陶瓷、硅和CIGS（用于薄膜太陽(yáng)能電池的銅銦鎵硒）。利用燒蝕鉆孔或切割玻璃可以避免產(chǎn)生裂縫，并獲得尖銳、清潔的邊緣和表面，如圖2所示。對(duì)于液晶顯示器或手機(jī)上使用的超薄玻璃，可以通過(guò)沿著一系列冷燒蝕激光孔洞對(duì)玻璃進(jìn)行機(jī)械擠壓切割成形。這是由于燒蝕是一種具有高閾值的非線(xiàn)性過(guò)程，經(jīng)過(guò)聚焦的脈沖，僅在焦斑的中心處的激光功率超過(guò)燒蝕閾值，這部分激光脈沖可以鉆出小于衍射極限的孔。
圖2：超快脈沖實(shí)現(xiàn)玻璃的精細(xì)加工。a）利用10μJ的355nm脈沖在玻璃上鉆出的440μm孔；
b）利用355nm脈沖在Pyrex玻璃上銑出2mm的正方形區(qū)域。
薄膜加工的工藝過(guò)程更為復(fù)雜，例如加工硅基底上的石英。這對(duì)該應(yīng)用，德國(guó)Solar Energy Research Hameln研究所的研究人員表示，皮秒脈沖不是自上而下燒蝕石英，而是穿過(guò)透明的石英使硅基底熔化，然后蒸發(fā)足夠的熔化物使薄膜從基底上升起。因此其能量閾值取決于SiO2的厚度。
由于焦點(diǎn)處具有高得多的功率密度，通過(guò)高數(shù)值孔徑光學(xué)元件聚焦的皮秒脈沖，能夠在玻璃或其他透明材料內(nèi)部刻蝕結(jié)構(gòu)，而不會(huì)影響表面。例如，北京理工大學(xué)利用鈦寶石激光器的35fs脈沖，橫跨單模光纖纖芯刻寫(xiě)出了長(zhǎng)周期的光纖布拉格光柵。該光柵在1465~1575nm的波段內(nèi)產(chǎn)生20dB的衰減。通過(guò)誘導(dǎo)體材料玻璃內(nèi)部的熔融石英波導(dǎo)的雙折射，加拿大多倫多大學(xué)制造出了2cm長(zhǎng)的波長(zhǎng)選擇性定向耦合器，消光比達(dá)24dB。他們認(rèn)為該分束器"有望為制造三維光電路中的偏振相關(guān)設(shè)備開(kāi)辟新的方向"。
納米粒子和納米纖維
超快激光器也為脈沖激光沉積提供了新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。納秒激光脈沖已經(jīng)成為薄膜沉積的標(biāo)準(zhǔn)，但是它們會(huì)將10μm的顆粒濺射到薄膜上。當(dāng)愛(ài)爾蘭圣三一學(xué)院（Trinity College）的研究人員檢查納秒脈沖從銀靶上產(chǎn)生的流量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)離子流量超過(guò)了沉積速率，這表明在表面產(chǎn)生了一些自濺射。然而，他們發(fā)現(xiàn)飛秒脈沖產(chǎn)生的離子流量只有沉積速率的1%，這表明大部分燒蝕材料形成了納米粒子。其他研究表明，飛秒脈沖產(chǎn)生的納米粒子的大小取決于激光通量、氣體環(huán)境和加工材料。
表1 金屬，半導(dǎo)體和電介質(zhì)的燒蝕闕值
加拿大Ryerson University的研究人員表示，飛秒脈沖容易產(chǎn)生大量致密、糾纏的石英納米纖維。將摻鐿光纖激光器發(fā)射的重復(fù)頻率為12.4MHz的214fs的脈沖序列，以1.17J/cm2的強(qiáng)度聚焦到硅上，可以產(chǎn)生四種類(lèi)型的納米纖維絲。其中直徑最大的為幾百納米，長(zhǎng)度達(dá)10mm；最細(xì)的纖維直徑為幾十納米，長(zhǎng)度延伸到數(shù)百微米。然而，纖維的纏結(jié)使研究變得更加困難。
醫(yī)學(xué)應(yīng)用
超快脈沖能夠干凈地實(shí)現(xiàn)切割加工，并且不破壞周?chē)鷧^(qū)域或形成粗糙的邊緣，這對(duì)加工醫(yī)學(xué)植入物和實(shí)施精細(xì)手術(shù)至關(guān)重要。
對(duì)于在動(dòng)脈阻塞中插入支架和伸縮管、打通動(dòng)脈以恢復(fù)血流來(lái)說(shuō)，光滑的表面尤其重要。人體有時(shí)會(huì)對(duì)植入物起反應(yīng)，在支架上生長(zhǎng)疤痕組織，這會(huì)重新阻塞動(dòng)脈。用超快激光器加工各種材料制成的支架，可以產(chǎn)生非常光滑的表面，從而減少了疤痕組織生長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。
在LASIK（激光原位角膜磨鑲術(shù)）屈光手術(shù)中，在角膜表面切割皮瓣以暴露內(nèi)部組織的應(yīng)用中，飛秒激光器也已成為標(biāo)準(zhǔn)工具。其主要吸引人之處在于能夠比傳統(tǒng)手術(shù)更準(zhǔn)確地切割皮瓣。
現(xiàn)在眼科醫(yī)生正在將飛秒激光技術(shù)擴(kuò)展到用于實(shí)施白內(nèi)障手術(shù)。其中的一個(gè)目的是軟化眼球晶狀體中引起白內(nèi)障的硬核，從而可以很容易地將其去除；另一個(gè)目的是實(shí)施去除眼球晶狀體所需的切割，并在對(duì)眼球其他部位傷害最小的情況下插入替換物。目前有三家公司正在研發(fā)可用于上述兩種手術(shù)的飛秒激光系統(tǒng)。
目前的研究結(jié)果非常鼓舞人心。在去年10月舉行的美國(guó)眼科學(xué)會(huì)會(huì)議上，邁阿密大學(xué)醫(yī)學(xué)院Bascom Palmer眼科研究所的研究人員報(bào)道說(shuō)，飛秒激光治療減輕了手術(shù)要求，并且減少了晶狀體去除過(guò)程中的超聲暴露。在同一次會(huì)議上，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)的研究人員報(bào)道說(shuō)，飛秒激光手術(shù)避免了關(guān)鍵角膜內(nèi)皮細(xì)胞的損傷，而傳統(tǒng)的白內(nèi)障手術(shù)會(huì)造成這種損傷。
展望
超快激光加工在很大程度上歸功于皮秒激光器和飛秒激光器的產(chǎn)業(yè)化，從而使得非專(zhuān)業(yè)人員可以在工業(yè)和醫(yī)學(xué)環(huán)境中使用它們。到目前為止，超快激光器在一些特定應(yīng)用中已經(jīng)非常成功，但是其成本和材料去除速度方面仍然存在很大的局限性。然而無(wú)論如何，超快激光器在性能上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于像醫(yī)療植入支架和精細(xì)眼科手術(shù)這樣高要求的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，還是非常引人注目的。
