這是一項艱巨的任務(wù)——評選出在50年激光發(fā)展史暨40年工業(yè)激光材料加工史中的十大里程碑事件——因為可選的項目很多，且每一項都有被認可、受贊譽之處。但是對于這項工作，如果你抱著這樣的信念，即這些里程碑事件曾經(jīng)并將繼續(xù)在激光市場的眾多應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，那么評選工作就能變得簡單一點。 評選的準則如下：新應(yīng)用是否為工業(yè)激光加工帶來新的突破；在其介入時期，該應(yīng)用是否創(chuàng)造出主要的商業(yè)市場；以及相關(guān)激光設(shè)備的發(fā)展是否衍生了新產(chǎn)品制造技術(shù)。 前兩種選擇及最早期的商業(yè)化產(chǎn)品幾乎同時在20世紀70年代初被發(fā)展成為商業(yè)化流程，都受到美國航天局太空計劃的推動。其背后的需求是：微型的電子零件將被發(fā)射進入太空。 密封 電子繼電器的密封由電子電路行業(yè)小型化的需求驅(qū)動，是在1973-1975年期間由多家美國激光公司使其商業(yè)化；Raytheon，GTE Sylvania，Holobeam和Korad公司當(dāng)時都互相競爭（現(xiàn)在這些公司都已退出了激光業(yè)），試圖從國防部和美國航天局的承包商手中獲得早期的設(shè)備定單。 這些公司將科研的脈沖Nd:YAG激光器商業(yè)化，使用精密聚焦光束在薄壁繼電器封裝的邊緣進行重疊的點焊（見圖1），在可控的空氣系統(tǒng)下進行密封，這是一項激光焊接低熱輸入的完美應(yīng)用。 圖1、早期的微型電氣繼電器外殼 （Raytheon公司）該激光系統(tǒng)首次于1973年在市場上銷售，激光密封包裝封口成為一個主要的業(yè)務(wù)，并衍生出今天的固體激光器用于可植入醫(yī)療設(shè)備密封的技術(shù)。此應(yīng)用帶來了更可靠的Nd:YAG激光器、精密的運動系統(tǒng)以及計算機過程控制。而且，更重要的是，促使設(shè)備供應(yīng)商開始考慮制造能夠在工業(yè)環(huán)境中生存下來的激光設(shè)備。 激光密封在工業(yè)激光行業(yè)發(fā)展中所扮演的角色，即使說它更重要也不過分。在這個應(yīng)用建立之前，激光器一直被認為是種實驗室設(shè)備，正在尋求商業(yè)市場；設(shè)備供應(yīng)商簡單地把這些實驗室設(shè)備安置在工業(yè)環(huán)境中。而它們迅速成為了供應(yīng)商的高級工業(yè)化單元，可以承擔(dān)多班生產(chǎn)作業(yè)的嚴格要求。工業(yè)激光密封及下一個應(yīng)用一起奠定了今天數(shù)十億美元工業(yè)激光器市場的基? ? 陶瓷基板劃線 微型電子產(chǎn)品也有減少重量的需求，這創(chuàng)造了對更小的微電子基板材料的需求，以便在基板上組成復(fù)雜的混合半導(dǎo)體電路。被選擇的材料是一種薄的、高純度燒制氧化鋁，易于在生產(chǎn)環(huán)境中進行加工。當(dāng)電路沉積后，利用CO2脈沖激光器在芯片邊緣劃出一系列的小孔，將陶瓷板分割開來。操作工在劃線后分割部件，以用于進一步的組裝。 1968年，美國西電公司改進了該工藝使用的技術(shù)，1970年相干公司開始售賣低功率CO2激光器。1970年代末，一家名為Lasermation的費城加工車間第一次把經(jīng)激光劃片的陶瓷混合電路賣給貝爾電話公司。一年之內(nèi)，Lasermation向100多家美國頂尖的電子公司銷售了陶瓷混合電路。截至1974年，每天激光鉆孔數(shù)量估計達20億個。庫爾斯（美國）公司等陶瓷制造商成了激光劃片工藝的主力用戶，到了這十年的最后階段，許多合同加工車間都收到大量生產(chǎn)刻劃基板的定單。1970年代末和1980年代初期，美國有超過12家加工車間每年生產(chǎn)出成千上萬數(shù)量的基板。 從那時開始到現(xiàn)在，合同加工車間生產(chǎn)了數(shù)百萬個基板。其中一家頂尖的車間——美國Laserage技術(shù)有限公司，開發(fā)出了一種激光打孔技術(shù)，允許大批量加工電氣應(yīng)用的通孔（見圖2）。設(shè)備供應(yīng)商如Photon Sources公司研發(fā)出了更好的控制硬件和軟件，以便像Laserage公司這樣的用戶能利用多重光束處理技術(shù)，將光束分成4個加工光束，大大提高生產(chǎn)效率。從這項應(yīng)用當(dāng)中，激光設(shè)計得以進步，分光束技術(shù)提高了生產(chǎn)力，污水也得到控制，并發(fā)展出精密的高速運動系統(tǒng)。 圖2、激光鉆孔和陶瓷基板劃線 （Lumonics公司）此項應(yīng)用的一個分支——在1970年興起利用Nd:YAG激光器切割硅晶片，源于Quantronix 公司推出的一種系統(tǒng)，采用1968年在貝爾實驗室開發(fā)的一個概念。兩個工藝的不同之處在于晶片切割采用連續(xù)的細線，而在氧化鋁上利用間距很小的一系列鉆孔。這兩個工藝在后續(xù)都需要依賴手工來分離劃線后的產(chǎn)品。 鈑金切割 1967年，英國人Sullivan和Houldcroft發(fā)明了氣體射流輔助噴嘴，加上從1970年開始激光成為一種金屬切割的工具，鈑金切割應(yīng)用逐漸成為今日工業(yè)激光系統(tǒng)制造業(yè)中最大的收入來源。英國焊接研究所研發(fā)的噴嘴走向商業(yè)化，被介紹給潛在激光系統(tǒng)的工業(yè)用戶，那一激光系統(tǒng)由德國Messer Greisheim公司和英國氧氣公司開發(fā)，配有英國Ferranti公司出品的400W半封離式CO2激光器。之后激光功率增加到1千瓦，并被首次安裝在英國伯明翰外的一家加工車間，開啟了加工車間采用激光鈑金切割的先河（見圖3）。初次安裝之后，全球范圍內(nèi)安裝了超過75000臺鈑金切割系統(tǒng)，預(yù)計總價值超過450億美元。激光鈑金切割是目前為止應(yīng)用最廣的高功率工業(yè)激光加工技術(shù)。 圖3、英國一家加工車間用激光切割不銹鋼日本的主要貢獻之一就是1985年天田公司研發(fā)的“凈切削”，在此基礎(chǔ)上，1986年又推出一款系統(tǒng)，能在3毫米的不銹鋼上完成無氧化切割。后來在80年代末，德國通快公司采用射頻激勵CO2激光器開發(fā)出了惰性氣體（熔合）切割。這些加工技術(shù)為高質(zhì)量的金屬切割打開大門，免去了二次加工，是一次重大的工業(yè)進步。 激光金屬切割系統(tǒng)的供應(yīng)商對許多廣泛應(yīng)用在不同行業(yè)的技術(shù)革新貢獻了力量。其中包括：同軸氣體射流噴嘴，自動高度感應(yīng)和聚焦頭分離裝置，電腦控制的激光切割工藝，非活性氣體輔助非鐵金屬切割，高速直線運動系統(tǒng)，高功率、更可靠的二氧化碳激光器，特別是射頻激勵和封離單元，遠程視頻現(xiàn)場支持，高速移動工作臺和原料儲存塔，自動噴嘴清洗，快速更換切割頭，以及大量的其它系統(tǒng)和技術(shù)進步。 激光鈑金切割在所有工業(yè)激光系統(tǒng)中創(chuàng)造的利潤最大，有一半的年度收入來自該領(lǐng)域的激光設(shè)備銷售。 渦輪葉片上的鉆孔 第一個實用且增值的紅寶石激光工業(yè)應(yīng)用由Ted Maiman公司發(fā)明——在飛機發(fā)動機渦輪上的冷卻葉片鉆孔。由于這些引擎工作時溫度上升，必須找到一種方法冷卻刀片，以防止熱損傷。通用電氣公司在1970年完成了一項發(fā)明，他們使用了美國SpaceRays公司生產(chǎn)的脈沖紅寶石激光系統(tǒng)，鉆出一系列的小孔，讓薄膜狀的冷卻氣體流經(jīng)葉片表面。1974年美國Raytheon公司生產(chǎn)出了多紅寶石激光系統(tǒng)（見圖4）。紅寶石激光具有尖峰能量輸出，是一種完美的鉆小孔的方法，它唯一的缺點是緩慢的脈沖重復(fù)頻率。此種激光系統(tǒng)后來被Raytheon公司生產(chǎn)的Nd:YAG 激光器取代，其具有較高的峰值功率和更快的重復(fù)率，從而成為該應(yīng)用的首選激光器。 圖4、紅寶石激光為渦輪葉片打孔 （通用電氣公司）因為激光打孔過程為脈沖固體激光器的發(fā)展帶來挑戰(zhàn)，設(shè)備供應(yīng)商們研發(fā)出新的、更高效的固態(tài)激光器和多軸計算機控制處理系統(tǒng)。對易碎裂材料進行鉆孔的時候，要求脈沖整形以控制好熱量輸入，沖孔技術(shù)能產(chǎn)生狹長平滑的深孔，而這需要用能量密度分布良好的圓形光束來實現(xiàn)。 從1970年代初期得到首次商業(yè)化安裝以來，共有600多臺自動化激光系統(tǒng)被安裝在OEM制造廠，主要是分包商工廠當(dāng)中。 該應(yīng)用推動了許多激光技術(shù)分支的發(fā)展，包括：更高亮度的激光器，更可靠的激光器，精密多軸定位系統(tǒng)，快速且精確更換的夾具，計算機控制的光束聚焦，激光沖孔工藝，防止后壁沖擊的穿透檢測，成型鉆孔程序以及飛行鉆孔技術(shù)等。 拼焊板的激光焊接 具有良好的光束質(zhì)量和可靠輸出功率的高功率CO2激光器是用在汽車車身制造中鋼板焊接的首? ５諞淮渭す餛春甘匝槭竊?981年的英國萊蘭，而真正的使用是在1983年——德國汽車制造商奧迪需要足夠大的金屬板材沖壓進轎車底盤，這次才是公認的首次關(guān)于激光拼焊板的生產(chǎn)。由于德國鋼廠沒有合適尺寸的鋼板，Thyssen Steel公司采用Rofin Sinar 1.5千瓦CO2激光器將兩塊現(xiàn)有的鋼板焊接在一起，以滿足沖壓所需要的尺寸（見圖5）。因此誕生了激光拼焊的業(yè)務(wù)，現(xiàn)在全球各大汽車生產(chǎn)商廣泛采用此技術(shù)加工的零部件。 圖5、激光焊接鍍鋅汽車底盤1984年豐田公司震驚了全球的汽車業(yè)，該公司在凱美瑞車上推出了激光焊接五片式車輪擋圈，允許選擇金屬的厚度，以減少重量，從而能節(jié)省更多的燃料。由于汽車業(yè)對拼焊部件的需求逐年上升，興起了一批生產(chǎn)拼焊板的分包商，他們需要購買更高功率（高達8kW）的CO2激光器。 激光拼焊用來設(shè)計和生產(chǎn)更輕、更節(jié)能的交通工具，貢獻巨大。其將不同種類、厚度的鋼材接合起來的能力使得設(shè)計師能夠極大地提升車身設(shè)計；在最大限度減少標準組件數(shù)量的情況下，仍能滿足嚴格的碰撞標準。 隨著高功率（> 4千瓦）二極管泵浦Nd:YAG激光器和光纖激光器的推出，新一代的焊接系統(tǒng)正被安裝在發(fā)展中國家市場中。迄今超過400臺價值20億美元的設(shè)備已被安裝在世界各地的汽車裝配廠中。激光拼焊的應(yīng)用推動了在線焊接監(jiān)控器和光束質(zhì)量設(shè)備的發(fā)展，改善了激光器光束質(zhì)量和機器人/激光系統(tǒng)。 從1984年以來，激光拼焊的應(yīng)用呈逐年增長的趨勢。例如，從2000年以來，約有價值18億美元的激光拼焊板在世界各地生產(chǎn)出來。到2008年，一家美國供應(yīng)商在17年期間，已為50 家車輛生產(chǎn)平臺制造出多達9000萬塊的激光拼焊板。 心血管支架切割 具有良好聚焦能力的激光束在微處理應(yīng)用方面極具吸引力。在此列舉一個不同凡響的例子——該項技術(shù)給整個行業(yè)帶來巨大的變革，隨著全球市場需求的增加，從1992年開始它成為了首要的選擇——它就是激光支架切割技術(shù)（見圖6）。1993-1994年間，Lumonics公司生產(chǎn)的低分散度Nd:YAG激光器能成功進行支架切割的次數(shù)很有限，隨后被Lasag單元所取代，后者成為該項應(yīng)用中運用最普遍的激光器。 圖6、激光切割不銹鋼管狀支架的放大圖 （Synova公司）心血管支架是一種機加工結(jié)構(gòu)，在球囊血管成形術(shù)治療阻塞的靜脈或動脈之后，心血管支架被放置到人體的血管中。通過激光切割薄壁管材而形成了支架，因此盡管通過激光移除了一部分多余的金屬，仍然能夠承受外力。為了減少殘余熱效應(yīng)的影響，以及切割出無毛刺邊緣的復(fù)雜設(shè)計圖案，通常會選擇一臺脈沖固態(tài)裝置，使用最多的是脈沖Nd:YAG激光器。 現(xiàn)在主要應(yīng)用在醫(yī)療器械行業(yè)的支架切割，一直是推動高質(zhì)量、可靠的工業(yè)激光器和運動控制系統(tǒng)發(fā)展的動力。閃光燈泵浦Nd:YAG激光器被二極管泵浦激光器所替代，接著碟形激光和光纖激光器搶占市場，后者現(xiàn)已經(jīng)成為該項技術(shù)應(yīng)用的首? Ｒ韻冉募す餳際醭氏值鈉っ牒頭擅爰す餛鰨豢悸怯美醇庸ば碌納錛嬡菪災(zāi)Ъ?。今天已又C汕賢虻鬧Ъ茉諶蟶? 此應(yīng)用帶來了一系列的進步，如：更高的可靠性，穩(wěn)定的脈沖間隔，具備更高光束質(zhì)量的固體激光器，對輔助氣體更為成熟的控制，更簡單和更強大的處理和控制軟件，以及自動化上下料裝置。 快速成型制造 快速成型或快速制造技術(shù)現(xiàn)在被稱為添加制造(AM)。追溯到1987年，第一臺商用的立體光固化成形裝置SLA由美國加州的3D Systems公司推出并申請了專利。在加工過程中，從紅外激光發(fā)出的光束通過電腦控制掃描，穿過光固化樹脂粉末，使粉末熔化并硬化為一整塊，這好比在三維零件上進行二維的切割。隨著后續(xù)的新層建立，最終構(gòu)成了一個三維的部件（見圖7）。 圖7、通過快速成型制造的各種部件 （DTM公司）到1990年，市場出現(xiàn)了若干競爭技術(shù)：選擇性激光燒結(jié)，分層實體制造等，在發(fā)展中的工業(yè)服務(wù)市場相互競爭。最終，原始設(shè)備制造商接受了這項技術(shù)，特別是在SLS和SLM中應(yīng)用材料的進步使制造原型零件成為可能。因此，此項技術(shù)推動了快速制造的發(fā)展，并在業(yè)內(nèi)獲得了高度認可?，F(xiàn)在技術(shù)的進步使用戶能夠生產(chǎn)塑料零件、金屬、陶瓷和復(fù)合材料。現(xiàn)在有20多個國際供應(yīng)商提供激光燒結(jié)系統(tǒng)，另外還有一些亞洲公司提供立體光刻系統(tǒng)。據(jù)估計，世界各地共安裝了數(shù)千臺快速成型制造設(shè)備。 該項技術(shù)的業(yè)內(nèi)專家Terry Wohlers曾估計2008年激光添加制造的產(chǎn)品和服務(wù)收入總計超過了7億美元。 而服務(wù)供應(yīng)商是添加制造技術(shù)最早的使用者，如今這項工作多是在大型企業(yè)的內(nèi)部工廠生產(chǎn)完成。 Wohlers還估計一些國家每年將會安裝至少100臺或更多的添加制造設(shè)備，這些國家的GDP增長速度達兩位數(shù)，比如中國（現(xiàn)在已經(jīng)安裝了2400臺）、法國、德國和英國。剛開始接受這項新技術(shù)的國家，比如巴西、墨西哥和泰國，在2008年安裝設(shè)備的增長率達到75%-100%。 該應(yīng)用生產(chǎn)出了穩(wěn)定、可靠、低成本的固態(tài)和低功率CO2激光器，強大的CAD系統(tǒng)與光束和零件移動系統(tǒng)兼容，并催生了新一代的激光可加工聚合物和用于生產(chǎn)此類零件的金屬粉末。 微孔加工 通孔加工就是在覆蓋于多層基板上的厚膜上鉆孔，這樣可以在層面之間實現(xiàn)電接觸。在1971年美國西電公司工程師們發(fā)表的論文中，描述了用相干公司CO2激光器在陶瓷上鉆小洞、產(chǎn)生傳導(dǎo)通路的應(yīng)用，這便是早期的通孔鉆切應(yīng)用。1974年西電公司在它的一個工廠中安裝了Photon Sources生產(chǎn)的CO2小孔鉆切系統(tǒng)，主要用于在薄膜雙層電路上鉆孔。 從這個開創(chuàng)性的加工開始，一個新的微孔鉆切行業(yè)應(yīng)運而生，數(shù)百臺CO2、固態(tài)和準分子激光鉆孔系統(tǒng)被安裝于世界各地微電子工廠，每年都要鉆上百萬個通孔。圖8顯示了在多芯片組件鉆出的25盲孔。 圖8、在多芯片組件上鉆出25通孔 （Lumonics公司）這項成功的應(yīng)用為以下的技術(shù)進步做出了貢獻，如：二氧化碳激光分束（從一個激光器中最多可以發(fā)射出四道光束），并行處理系統(tǒng)，更穩(wěn)定可靠的脈沖二氧化碳激光器，用來防止鏡片污染的氣體輔助噴嘴，提高了生產(chǎn)力的自動上下料設(shè)備。這是最早出現(xiàn)的要求每天3班制加工且只需要低級別的技工操作的應(yīng)用。 激光打標 就安裝的數(shù)量而言，激光打標/雕刻是工業(yè)激光應(yīng)用最大的領(lǐng)域，在全球安裝了數(shù)以萬計的設(shè)備。1960年代中期，激光制造商及其客戶試著在一個固定的激光束下移動軸x和y軸方向的工件來完成塊狀字符的雕刻。激光打標通過利用振鏡掃描Nd:YAG激光束的應(yīng)用可追溯到1973，當(dāng)時Korad公司開發(fā)了一個系統(tǒng)，采用的是5瓦的連續(xù)波鎢鹵素激光器，General Scanning公司的振鏡掃描技術(shù)，采用的是卡爾蔡司平域鏡頭和一臺PDP8小型電腦。1974年，Control Laser公司推出了一款晶圓打標機，配有30W 調(diào)Q型Nd:YAG激光器和西門子S319計算機。 其他幾個激光供應(yīng)商先驅(qū)曾成功開發(fā)了多例防盜標記的應(yīng)用。其中最著名的一個例子就是運用Nd:YAG激光打標機在電動打字機底盤內(nèi)部標刻上一系列數(shù)字，以保證不會被磨去產(chǎn)品身份編號。這樣，用戶改進了標記的質(zhì)量和持久性，提高了生產(chǎn)效率，并減少了手工操作沖壓模具。激光打標的這些特點沿用到了后來的激光打標應(yīng)用中，比如，金屬髖關(guān)節(jié)的打標（見圖9）是為了標記保修書和追蹤產(chǎn)品的情況，即使到今天也在使用這項技術(shù)。第一次的市場反應(yīng)是在1978年，Control Laser公司收到了150臺激光打標機的定單，用來對硬質(zhì)合金嵌入式刀片和鋸片進行打標。1982年Baasel Lasertech公司在德國漢諾威工業(yè)博覽會上首次展出50W的Nd:YAG激光打標機。 圖9、人造髖關(guān)節(jié)上的激光雕刻模式標刻 （Quantrad公司）與激光打標并行發(fā)展的是激光雕刻市場的興起，1973年位于美國加州的光學(xué)工程學(xué)會的工程師們發(fā)明了網(wǎng)狀掩膜，可以通過CO2激光束掃描將掩膜圖案復(fù)制到一塊木頭上。 從這項工作中誕生了一個新的市? 鏡窠迸?禮品，帶來了一個新的提供低成本雕刻系統(tǒng)的行業(yè)。今天有成千上萬的雕刻機被廣泛運用于世界雕刻產(chǎn)業(yè)。 激光打標/雕刻隨著無數(shù)的激光技術(shù)的發(fā)展而成為兩個不同的分支，隨著技術(shù)進步，出現(xiàn)了低維護率的激光器，低功率光纖激光器，用戶友好的編程軟件，高速振鏡掃描打標機，用于彩色打標的化學(xué)添加劑。二維矩陣碼標技術(shù)對追蹤應(yīng)用產(chǎn)生了革命性的影響，特別是在身份證卡片制造領(lǐng)域。 標記/雕刻技術(shù)的應(yīng)用推動了最可靠的激光系統(tǒng)在過去20年的發(fā)展；為長時間的生產(chǎn)應(yīng)用所設(shè)置的標準創(chuàng)造了第一臺商業(yè)化的激光標刻產(chǎn)品。今天，每年7億美元的激光打標系統(tǒng)市場仍繼續(xù)以每年20％速度增長，因為激光技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為滿足安全規(guī)定而進行序列號標記和實現(xiàn)追蹤性的選擇。 電路調(diào)制 1960年代末，美國貝爾實驗室首次利用激光調(diào)制微電路，以滿足電氣性能的要求。1971年，Motorola公司應(yīng)用Korad公司 Nd:YAG激光器和相干公司的CO2激光器，完成了一些利用激光進行電路微調(diào)的早期開發(fā)工作。1972年Teledyne公司和1973年Quantronix公司各自推廣了激光微調(diào)系統(tǒng)。 ESI公司早期的自動化激光微調(diào)系統(tǒng)如圖10所示。 圖10、Nd:YAG激光修整電阻材料（ESI公司）該工藝使用了一束聚焦的激光束，通過蒸發(fā)去除沉積電路中的一段，這樣一個冗余電路將取代之前從電路中切除的部分，使其符合與嚴格設(shè)計要求一致的電路特性。 這項早期的工作催生了一個產(chǎn)業(yè)， 推動了各項新技術(shù)和工藝的誕生，包括探測測量技術(shù)、晶圓和芯片加工、激光和加工的CNC控制等。從此，數(shù)以千計的復(fù)雜的電路調(diào)阻設(shè)備在許多公司被安裝，至今仍有很多公司向世界各地提供該種設(shè)備。 從早期到現(xiàn)在，全球市場已經(jīng)安裝了約5000臺激光調(diào)阻機，市場價值接近6億美元。 其它應(yīng)用 在所有重要的材料加工應(yīng)用方面，較為突出的有：焊接鋁窗口墊片，切割木模板，男裝定制裁切，焊接吉列剃須刀片，汽車白車身的激光焊接和釬焊。以上的每一種應(yīng)用都為自動激光加工系統(tǒng)的設(shè)計帶來了新的突破，也為使用這些技術(shù)的行業(yè)本身帶來革命性的影響。這些產(chǎn)品并不因為售出的數(shù)量較少而降低技術(shù)本身的重要性，也并不會減少它們對整個工業(yè)激光材料加工所做的貢獻；如前所述，由于我們對標準進行了嚴格的規(guī)定，所以可以將選擇的數(shù)量縮小到十個。 估計目前在全球制造業(yè)安裝超過42萬臺工業(yè)激光系統(tǒng)，價值超過180億美元。這是一個令人驚嘆的數(shù)字，其根源可追溯至本文中提到的早期激光應(yīng)用。而且，我們有這個責(zé)任去認可那些工藝和設(shè)備開發(fā)商為這一成就做出的貢獻，以及那些“冒險家們”，正是他們購買了最早的激光加工系統(tǒng)。