时至今日，当我们再次提起激光加工时可能很多人已经不再陌生，先进的激光技术正在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。小到量体裁衣，大到航天飞机，激光加工应用越来越普遍。伴随着激光技术半个多世纪的发展，激光加工应用也向着新的方向发展。

　　近日，德国产学研联合开发并已投入实际应用的超短脉冲激光工业精加工技术获得德国总统高克颁发的德国未来奖。

　　获得这一奖项的是分别完成这项技术基础研究和加工技术开发及应用的德国耶拿大学、博世有限公司和通快激光公司的3名研究人员。耶拿大学校长迪克说，本次获奖充分证明大学基础研究和工业加工密切合作的优势。

　　传统的激光加工术往往会使金属、玻璃等加工原材料受热熔化，精度难以控制，需要费时费钱的再加工。由上述三方合作开发的超短脉冲激光精加工技术能将高能激光脉冲非常精确地导向微小的加工位置，材料受热范围直径仅约10纳米。高能激光脉冲能在几飞秒或几皮秒内（1飞秒等于千万亿分之一秒，1皮秒等于1000飞秒）将原材料迅速气化，不留残渣，周围材料也不会变形受损。

　　研究人员说，这项技术可迅速、精确、大批量加工包括钻石在内的各种材料，应用领域非常广泛，包括用于加工越来越薄、硬度越来越高的手机显示屏和人体耐受性更强的体内移植物。用这种技术加工的高精度发动机燃油喷嘴可节约燃油近20%。博世公司已用这一技术大批量加工各种精密元件并计划开发更多新产品。

　　德国未来奖是德国应用研究的最高奖项，评奖尤其注重科研成果的实用性、市场潜力和创造就业岗位能力等要素，目的是鼓励能有效促进德国产业国际竞争力的科技研发。

　　超短脉冲激光工业精加工技术能够获得“德国未来奖”，这足以见得激光精密加工应用的优越性，同时该应用也将成为激光加工未来发展的重要趋势之一。

　　激光精密加工技术现状与趋势

　　激光技术是20世纪重大发明之一，近年来，随着激光技术的日新月异，全球激光产业发展迅速。2008年，全球激光加工设备制造销售额达到80亿欧元，预计到2010年，全球激光加工市场平均增长率约为13%。美国、日本、德国、英国等国家激光产业的发展代表了世界激光产业最高发展水平，它们在制造业，如汽车、电子、航空、航天、生物医学等领域已基本完成了传统工艺的更新换代，步入“光加工”时代。

　　精密激光制造和服务行业作为一个新兴行业，发展前景广阔，各国都比较重视。随着激光加工技术的不断完善和提高，国际上各类制造业逐渐接受了激光加工技术，这样可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，发达国家已逐步形成了完善的激光制造和服务产业群体。

　　发达国家为了在全球竞争环境中占据世界信息技术的制高点，赢得主动权，纷纷加紧实施激光产业发展计划，如美国的“激光核聚变计划”，德国的“光学促进计划”，英国的“阿维尔计划”，日本的“激光研究五年计划”等。这些项目的实施，有效推动了全球激光产业进入高速发展阶段。德国已广泛地将激光应用于汽车、钢铁、航天、电子、医疗等各个行业，激光与光学产品在全世界销售额每年以10％到20％的速度增长。

　　各国积极出台相关政策，建立国家级激光工程中心，广泛开展激光工程应用研究。德国建立了9个国家级激光中心，韩国政府2001年投入7.3亿美元，在光州建立激光工程研究所，成为全球七大激光研究所之一。

　　国际知名公司也都将先进的激光技术作为研发的重点，并投入巨大资金，力求在技术上掌握全球竞争的主动权。德国Trumpf公司每年投入约7000万美元的研究经费，建立了全球最为先进的激光工艺试验中心，开发的C02激光器最高功率已达20000W。德国IPG公司开发了目前全球最为先进的光纤激光器制造技术，技术应用广泛渗透到重金属切割、铜焊、熔覆以及焊接等核心领域。

　　发达国家在汽车、飞机、微电子、钢铁等行业已开始大规模地应用激光加工技术，激光。在这些领域的应用达到激光设备销售额的60％以上。美国是最早将高功率激光器引入汽车工业的国家，在激光医疗及激光检测方面也占世界首位，德国在激光材料加工设备方面走在世界前列。

　　通用、福特、奔驰、大众、丰田等汽车制造商均在汽车的车身装配中大量使用焊接工艺，为企业带来了巨大的经济效益。例如，福特汽车公司用5米长的光纤将2kW的Nd：YAG激光传输到装在IR761／125型机器人的焊头上，用于车身装配，大大提高了焊接效率和效果。波音、空中客车等飞机制造公司广泛运用激光技术进行焊接、切割、打孔、表面硬化等。

　　激光在工业生产中的应用还包括：大规模集成电路的光刻技术，印刷电路板打孔技术，钟表零件制造与首饰加工等领域。西门子公司在一条流水线上就采用400多台激光设备。

　　半导体激光器和半导体泵浦固体激光器以自身所具有的高光电转换效率、更小的体积，以及更优化的激光模式等优势，应用在工业激光加工、激光医疗等多个领域，成为激光加工设备的主导方向。

　　激光技术对产品投入产出比和技术基础的优化作用更加明显，融合在产品与服务中的技术含量越来越高。激光打标机和彩色打标机，其控制软件实现了根据不同的颜色要求，控制不同波长的激光，不同工作时间的输出，提高了激光标记设备的使用范围。

　　激光技术与其它学科的融合以及应用领域范围的不断扩大，如利用激光对出土文物进行清洗与保护，利用水柱导光实现硅片的精密切割，利用激光检测水果甜度和果肉软硬程度，实现非金属材料焊接，以及激光美容技术等。

　　激光材料加工是激光技术应用的基础和支柱产业，根据国际激光产业界统计，激光材料加工产值占激光加工总产值的比例最大，达到26%。2000年，全球范围内以激光为主的光电子产业总产值1800亿美元，科学界预测，到2010年产值将达到4500亿美元，以光电子信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模，到2015年，光子产业可能会取代传统电子产业，光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步（资料来源：武汉市光电子信息产业发展主要情况）。

　　激光的精密制造与服务主要应用于精密机械以及电子工业中，精密激光制造和服务典型的应用是SMT模板、精密金属零件、FPC切割、HDI钻孔及激光打标。

　　精密激光切割的一个典型应用就是切割印刷电路板PCB中表面安装用模板。传统的 SMT模板加工方法是化学刻蚀法，其致命的缺点就是加工的极限尺寸不得小于板厚，并且化学刻蚀法工序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境。采用激光加工，不仅可以克服这些缺点，而且能够对成品模板进行再加工，特别是加工精度及缝隙密度明显优于化学刻蚀法。

　　激光精密焊接方面，激光焊接热影响区很窄，焊缝小，尤其可焊高熔点的材料和异种金属，并且不需要添加材料。利用固体激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平。另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯无影响，从而保证了集成电路管芯的质量。

　　激光精密切割与传统切割法相比，激光精密切割有很多优点，激光能开出狭窄的切口、几乎没有切割残渣、热影响区小、切割噪声小，并可以节省15%-30%的材料。由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲力和压力，故适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料，加上激光光斑小、切缝窄，所以特别适宜于对细小部件作各种精密切割。

　　与机械、化学、电铸和借助模具等传统的制造手段相比，激光制造在材料加工中具有明显的优势。激光具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度，其空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，因此特别适用于自动化加工。

　　目前全球已开发出20多种激光加工技术，对于精度和结构复杂的产品，以及设计变化多、数量少的研发样品，可以用激光直接量产、省去模具使用（模具生产周期长、成本高）。激光应用技术已成熟的包括：激光切割、激光成形、激光钻孔、激光焊接、激光划线、激光表面处理等。

　　激光由于其具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度等特性，随着技术的进步，日益广泛地被应用于各类制造服务中，精密激光正不断地渗透入传统加工中。传统的打孔方法在许多场合已不能满足需求，如在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔；在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百微米直径的深孔等，用常规的机械加工方法无法实现。而激光束的瞬时功率密度高达108W/cm2，可在短时间内将材料加热到熔点或沸点，可以很容易地在上述材料上实现打孔。与电子束、电解、电火花和机械打孔相比，激光打孔质量好、重复精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著。激光精密打孔已经达到很高的水平，可以加工直径从20um到80um的微孔，并且其直径与深度之比可达1：80。激光束还可以在脆性材料如陶瓷上加工各种微小的异型孔如盲孔、方孔等，这些都是普通机械加工无法做到的。

　　精密激光制造是新兴的加工方法，正在渗透入传统制造中，逐步替代和突破传统的制造方法，未来发展空间巨大。激光技术应用是当今全球发展最快、最活跃的高技术产业之一，在传统制造领域，如汽车、电子、电器、航空、冶金、机械等制造领域，激光正在替代传统的机械、化学等加工工艺，实现对金属和非金属材料的切割、焊接、表面处理、钻孔以及微加工等。与此同时，随着激光加工技术的不断进步以及工业化生产的不断升级，激光加工领域不断拓宽，作为新的应用领域，高科技材料（如单晶硅、不易加工的金属等）的应用增长迅速，其中的激光应用销售市场也在快速增长，在工业生产中应用范围越来越广，激光在工业生产中的应用还包括：大规模集成电路的光刻技术，印刷电路板打孔技术，钟表零件制造与首饰加工等领域。

　　社会分工越来越细，专业化程度越来越高，是历史发展的必然趋势。企业竞争优势的大小主要是由生产要素中最薄弱的要素来决定，企业要将每个要素都做到最好是不现实的，世界上没有一个全能企业。现代企业专注于把内部资源集中在最具核心优势项目上，而把非优势项目外包，这是提升竞争优势的有效路径。业务外包已成为当今全球新一轮产业革命和转移中不可逆转的必然趋势。精密激光制造和服务外包必要性主要体现在：

　　第一、减少浪费性竞争。生产精密激光加工产品不仅要求投入大量的资金用于购买激光加工设备，同时由于应用技术性强还要配备相关的专业技术人员。通过将精密激光制造外包，可以节省大量资金和人力投入。

　　第二、获得规模经济。通过协作外包建立大规模专业化分工体系，可以从规模经济中获得经济效益，使各参与分工的单位分享规模经济带来的利益。

　　第三、降低企业成本。相对于机械、电化等传统的加工手段，精密激光加工设备价值高昂，外包有利于提高加工设备的利用率，降低加工成本。大企业可以通过生产一体化来降低生产成本，但是分工过细又会使一体化的成本上升。当大企业的市场交易成本小于一体化成本时，大企业往往通过分工协作方式，将部分业务外包，通过市场交易来满足自己所需的服务或中间产品，从而降低企业的总成本。

　　从国外多年应用的实际情况来看，精密激光制造和服务专业化程度和外包比例较高，这是和现代制造业社会分工专业化、规模化、标准化相吻合，也是市场经济充分竞争的必然结果。精密激光制造投资大，技术要求高，精密激光制造需求一般通过外包方式来实现，精密激光制造和服务专业化是一种有效的经营模式，由此催生了一批专业从事精密激光制造和服务的企业，带来了精密激光制造和服务行业的出现和发展。

　　由于人们对器件尺寸的要求越来越小，物理尺寸也越来越小，需要精度更高、加工速度更快、加工尺寸越小的技术出现，激光是最有竞争力的技术之一。诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman早在50年代末就曾预言，制造技术将沿着从大到小的途径发展，即用大机器制造出小机器，用这种小机器又能制造出更小的机器，并由此在微小尺度领域制造出一代代的批量加工工具。科学技术的革命证实了Feynman的预言。微电子技术的出现就是最有说服力的例子，从集成到大规模集成到超大规模集成技术的迅猛发展中，已经显示出未来的制造技术必将沿着“越来越小”的方向进军。20世纪把电子技术的主要功能高度集成在一起，形成了世纪标志的高技术产业，并渗透到人类活动的各个领域。21世纪则是多门学科的集成技术，即把微电子、微光学、微机械以及传感器、执行器的信号处理单元集成在一起的微纳制造和微系统技术。微纳制造技术与功能微系统将成为21世纪高新技术与产业的里程碑，其发展将使人类在认识和改造自然的能力上达到一个新的高度，导致人类生活和社会物质文明及科学技术的巨大变革。精密加工正是这种需要下发展起来的，精密激光制造和服务是未来制造的发展方向。

　　超快激光器用于超精密加工

        功率强度和脉宽是影响激光束如何与材料相互作用的关键因素。在长时间范围内，材料吸收一部分光能，将其转换成热量，热量会通过材料传导。如果光束足够强，便能熔化材料，熔化的材料会将热量传递到周围区域。对于短至纳秒级时间尺度的脉冲加工而言，吸收、熔化和热传导占主导地位。

　　当脉冲能量以短于约100ps的时间尺度传输时，根据材料的不同情况会发生显著变化。随着脉冲峰值功率的增加，峰值强度急剧上升。例如，持续1ps的微焦级脉冲的峰值功率为1MW，当它聚焦为5μm的光斑时，可产生约4×1012W/cm2的峰值强度，这足以剥离外层电子。激光与材料相互作用的时间是如此之短，以至于离子在能够将能量传导到底层材料之前，就已经从材料表面被烧蚀掉了。与光强较低的情况相比，在这种烧蚀模式下，能量传导受材料吸收的影响较小，但是也会受到材料种类和激光波长的影响。例如，紫外脉冲比近红外脉冲更适合切割玻璃之类的透明材料，而近红外脉冲在玻璃中的传输性能更好。

　　这种加工通常也被称为"冷烧蚀"。虽然材料表面在片刻间就变得非常热，但是离子在其加热或损伤底层材料之前就已经被烧蚀掉了，如图1所示。因此皮秒或飞秒激光脉冲能够从精细或易碎材料中无损去除非常薄的表层。波兰研究人员已经使用强度仅在烧蚀阈值之上的70ps脉冲去除油画表面的透明清漆，并利用光学相干断层扫描技术监控整个去除过程。美国Photonics Industries公司的Joyce Kilmer说："皮秒激光器能够将图案写到火柴头上，却不会让火柴点燃。"

　　图1：纳秒脉冲和飞秒脉冲加工效果的对比。

　　左图中的纳秒脉冲在烧蚀前会熔化表面材料，并将热量传递到邻近区域，从而影响许多材料。右图中的飞秒脉冲通过多光子离子化烧蚀材料，只有很少的热量传递到邻近的材料中。

　　一般而言，由于皮秒脉冲的能量通常更高，因此皮秒烧蚀的速度更快；相比之下，飞秒烧蚀往往会产生更平滑、更精密的加工表面。实际加工性能取决于脉冲参数、目标材料以及其他方面的考虑。由于烧蚀是将一团材料爆散到光路中，因此重复频率是很重要的因素。对于兆赫兹的重复频率，可能在下一个脉冲发射之前，上一个脉冲产生的材料还没有足够的时间消散。千赫兹的重复频率有足够的时间让材料消散，所以对精密去除材料可能更加有效。

　　适用的材料

　　冷烧蚀加工适用于一系列材料，包括金属、半导体、玻璃、晶体和陶瓷。冷烧蚀的典型能量密度阈值在0.05~5J/cm2的范围内，表1中给出了材料对掺镱光纤激光器和钛宝石激光器发射的飞秒脉冲的典型阈值。

　　超短脉冲对切割或加工易碎材料特别有吸引力，包括玻璃、陶瓷、硅和CIGS（用于薄膜太阳能电池的铜铟镓硒）。利用烧蚀钻孔或切割玻璃可以避免产生裂缝，并获得尖锐、清洁的边缘和表面，如图2所示。对于液晶显示器或手机上使用的超薄玻璃，可以通过沿着一系列冷烧蚀激光孔洞对玻璃进行机械挤压切割成形。这是由于烧蚀是一种具有高阈值的非线性过程，经过聚焦的脉冲，仅在焦斑的中心处的激光功率超过烧蚀阈值，这部分激光脉冲可以钻出小于衍射极限的孔。

　　图2：超快脉冲实现玻璃的精细加工。a）利用10μJ的355nm脉冲在玻璃上钻出的440μm孔；

b）利用355nm脉冲在Pyrex玻璃上铣出2mm的正方形区域。

　　薄膜加工的工艺过程更为复杂，例如加工硅基底上的石英。这对该应用，德国Solar Energy Research Hameln研究所的研究人员表示，皮秒脉冲不是自上而下烧蚀石英，而是穿过透明的石英使硅基底熔化，然后蒸发足够的熔化物使薄膜从基底上升起。因此其能量阈值取决于SiO2的厚度。

　　由于焦点处具有高得多的功率密度，通过高数值孔径光学元件聚焦的皮秒脉冲，能够在玻璃或其他透明材料内部刻蚀结构，而不会影响表面。例如，北京理工大学利用钛宝石激光器的35fs脉冲，横跨单模光纤纤芯刻写出了长周期的光纤布拉格光栅。该光栅在1465~1575nm的波段内产生20dB的衰减。通过诱导体材料玻璃内部的熔融石英波导的双折射，加拿大多伦多大学制造出了2cm长的波长选择性定向耦合器，消光比达24dB。他们认为该分束器"有望为制造三维光电路中的偏振相关设备开辟新的方向"。

　　纳米粒子和纳米纤维

　　超快激光器也为脉冲激光沉积提供了新的转折点。纳秒激光脉冲已经成为薄膜沉积的标准，但是它们会将10μm的颗粒溅射到薄膜上。当爱尔兰圣三一学院（Trinity College）的研究人员检查纳秒脉冲从银靶上产生的流量时，他们发现离子流量超过了沉积速率，这表明在表面产生了一些自溅射。然而，他们发现飞秒脉冲产生的离子流量只有沉积速率的1%，这表明大部分烧蚀材料形成了纳米粒子。其他研究表明，飞秒脉冲产生的纳米粒子的大小取决于激光通量、气体环境和加工材料。

表1 金属，半导体和电介质的烧蚀阙值

　　加拿大Ryerson University的研究人员表示，飞秒脉冲容易产生大量致密、纠缠的石英纳米纤维。将掺镱光纤激光器发射的重复频率为12.4MHz的214fs的脉冲序列，以1.17J/cm2的强度聚焦到硅上，可以产生四种类型的纳米纤维丝。其中直径最大的为几百纳米，长度达10mm；最细的纤维直径为几十纳米，长度延伸到数百微米。然而，纤维的缠结使研究变得更加困难。

　　医学应用

　　超快脉冲能够干净地实现切割加工，并且不破坏周围区域或形成粗糙的边缘，这对加工医学植入物和实施精细手术至关重要。

　　对于在动脉阻塞中插入支架和伸缩管、打通动脉以恢复血流来说，光滑的表面尤其重要。人体有时会对植入物起反应，在支架上生长疤痕组织，这会重新阻塞动脉。用超快激光器加工各种材料制成的支架，可以产生非常光滑的表面，从而减少了疤痕组织生长的机会。

　　在LASIK（激光原位角膜磨镶术）屈光手术中，在角膜表面切割皮瓣以暴露内部组织的应用中，飞秒激光器也已成为标准工具。其主要吸引人之处在于能够比传统手术更准确地切割皮瓣。

　　现在眼科医生正在将飞秒激光技术扩展到用于实施白内障手术。其中的一个目的是软化眼球晶状体中引起白内障的硬核，从而可以很容易地将其去除；另一个目的是实施去除眼球晶状体所需的切割，并在对眼球其他部位伤害最小的情况下插入替换物。目前有三家公司正在研发可用于上述两种手术的飞秒激光系统。

　　目前的研究结果非常鼓舞人心。在去年10月举行的美国眼科学会会议上，迈阿密大学医学院Bascom Palmer眼科研究所的研究人员报道说，飞秒激光治疗减轻了手术要求，并且减少了晶状体去除过程中的超声暴露。在同一次会议上，俄勒冈健康与科学大学的研究人员报道说，飞秒激光手术避免了关键角膜内皮细胞的损伤，而传统的白内障手术会造成这种损伤。

　　展望

　　超快激光加工在很大程度上归功于皮秒激光器和飞秒激光器的产业化，从而使得非专业人员可以在工业和医学环境中使用它们。到目前为止，超快激光器在一些特定应用中已经非常成功，但是其成本和材料去除速度方面仍然存在很大的局限性。然而无论如何，超快激光器在性能上的优势，对于像医疗植入支架和精细眼科手术这样高要求的应用来说，还是非常引人注目的。