激光的应用与发展前景讲解

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;