摘要：綜合評述了作為現代先進制造技術之一——光制造技術的特征以及在現代技術產業中的地位和展現的突出優勢。從原理上說，激光能適應任何材料的加工制造，尤其在一些特殊精度和要求、特別場合和特種材料的加工制造方面起著無可替比的作用。通過對國外研究動向的分析，光制造技術的發展趨勢將重點定位在微結構、微刻蝕、微工具以及多功能性微技術、微工程的研究與開發上。并可預測，三維微納尺度的激光微制造技術必將在新世紀的高新技術與產業中牽領風云，成為具有世紀標志的主流制造技術。

0 前言

目前對光制造還沒有一個統一的標準定義。一般來講 利用激光或各種途徑產生的受激輻射作為能源(光源或熱源)，通過激光與物質的相互作用，按一定要求進行的加工或成形，統稱為光制造。因此，這里“光”主要指激光。自1960年第一臺激光器問世以來，激光及其在各個領域的應用得到了迅速的發展。尤其是近20年來，光制造技術已滲入到諸多高新技術領域和產業，并開始取代或改造某些傳統的加工行業。

光制造技術具有許多傳統制造技術望所不及的優勢，是一種符合可持續發展戰略的綠色制造技術。例如：材料浪費少;在大規模生產中制造成本低;根據生產流程進行編程控制(自動化)，在大規模制造中生產效率高;可接近或達到“冷”加工狀態，實現常規技術不能執行的高精密制造;對加工對象的適應性強，且不受電磁干擾，對制造工具和生產環境的要求大大降低;噪聲低。不產生任何有害的射線與殘剩，生產過程對環境的污染小等等。為適 應21世紀高新技術的產業化、滿足宏觀與微觀制造的需要，研究和開發高性能光源勢在必行。超紫外、超短脈沖、超大功率、高光束質量等特征的激光正在積極研制當中，尤其是能適應微制造技術要求的激光光源更是倍受關注，并已形成國際性競爭。可以預言，光制造技術必將以其無可替代的優勢成為21世紀迅速普及的高新技術。

1 現代光制造技術

激光具有“四高”特點，即：高相干性、高單色性、高方向性、高亮度。這是它在制造業廣泛應用的基礎，其較早期的應用實際上已廣為人知。比如已經成熟的技術有：對常規材料進行一般要求的焊接、熔敷、切割、鉆孔;材料的表面改性和表面合金化;激光退火與離子注入;激光鍍膜及光刻等。除這些直接的光制造技術外，激光作為熱源或光源(能量)已成為制造行業的“常規武器”。隨著激光工作物質的研究與開發、器件與單元技術的改進和創新。以高性能、寬波段、大功率為特征的激光取得了蓬勃的發展。例如，紫外光輸出的KrF ArF準分子激光器、近紅外光輸出的CO2激光器以及大功率可見光輸出的Nd：YAG激光器等，為工業、農業、信息、生物醫學、航空航天等重要產業領域實現光制造創造了條件。尤其是光纖激光的出現， 使光制造的移動式定位加工變得極為便利。光制造技術與傳統的制造技術相比，其突出的優勢主要在對一些特種材料、特殊場合、特別要求的加工制造。主要體現在以下幾個方面：

(1) 特種材料特殊要求的焊接

激光焊接與大多數傳統的焊接方法相比具有突出的優點。激光能量的高度集中和加熱、冷卻過程的極其迅速，能使-些難熔金屬表面的應力閾值破壞(高反射率金屬表面)，或使高導熱系數和高熔點金屬快速熔化，達到某些特種金屬或合金材料的焊接。另一方面，在激光焊接過程中無機械接觸，容易保證焊接部位不因熱壓縮而發生變形，還排除了無關物質落入焊接部位的可能;采用大焦深的激光系統;還可實現特殊場合下的焊接，如由軟件控制進行需隔離的遠距離在線焊接、高精密防污染的真空環境焊接等;通過不發生材料表面蒸發的情況下熔化最大數量的物質，可達到高質量的焊接。以上特點是傳統的焊接工具與方法很難或完全不能做到的。目前歐美一些國家， 對高檔汽車車殼與底座、飛機機翼、航天器機身等- -些特種材料和微小接觸點的焊接,激光的應用已基本取代了傳統的焊接。

(2) 特殊精度的加工制造

這里指的高精度除通常意義下的精確定位外，主要還體現在材料內部熱傳導效應量級.上的控制。激光可采取連續和脈沖方式輸出。激光的脈沖式輻射為高精度的加工制造提供了類無倫比的優勢。以固體的鉆孔與切割為例，激光能量高度集中以及加熱、冷卻速度快的特點可實現傳統技術難以達到的要求，加工屬熱化學過程。更為突出的是，通過脈沖式激光輻射可達到接近“冷”加工的光化學動力過程。一方面選擇脈沖的時間寬度，使得材料內的熱傳導過程和熱化學反應來不及發生。另一方面通過控制激光的功率密度和脈沖計數，按要求達到確定的去除深度，從而實現高精度的“線”切割和“點”鉆孔加工。

(3) 微細加工制造

激光微細加工技術最成功的應用是在20世紀后半葉發展起來的微電子學領域。作為微電子集成工藝中的單元微加工技術之一，現已形成固定模式并投入規模化生產中。除此之外，能顯示其突出優勢的領域還有精密光學儀器的制造、高密度信息的寫入存儲、生物細胞組織的醫療等。選擇適當波長的激光，通過各種優化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統，獲得高光束質量、高穩定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性，進行高密微痕的刻制、高密信息的直寫;利用其光阱的“力”效應，進行微小透明球狀物的夾持操作。例如，高精密光柵的刻制(精密光刻);通過CAD/CAM軟件進行仿真圖案(或文字)和控制，實現高保真打標;利用光阱的“束縛力”，對生物細胞執行移動操作(生物光鑷) ， 以及高密度信息的激光記錄和微細機械零部件的光制造。無論是數字記錄或是掃描記錄還是圖象與文字的模擬記錄,激光記錄方法(光刻)都具有特別的優勢并取得了重要突破。在微細機械零部件的光制造方面，最近幾年在國外已顯示出攻關趨勢，成為未來高新技術前期研究的熱點。日本采用激光技術制造出微米量級的三維“納米牛”，這表明日本在微納量級的三維激光微成型機制上已經取得了巨大的進展.北京工業大學激光工程研究院應用準分子激光通過掩模方法，已經加工出直徑分別為10齒/50μm和108齒/500μm的微型齒輪。

(4) 編程控制進行高效的自動流程加工制造

由于激光輸 出的可控制性，使光制造過程能夠通過軟件實行自動化流程的智能控制。根據生產性質的需要，既可實行加工臺的定位控制，亦可通過激光的光纖傳輸實行加工頭的機器手定位控制，實現高效的自動化、智能化光制造。比如，汽車車身覆蓋件的三維定位切割、車身骨構架的焊接、齒輪盤及其他零部件的焊接加工等，已形成激光加工、組裝一條龍的生產線(見圖1)。使原來的每天加工1440輛增加到現在的每秒加工1輛的生產速度。歐美國家已開始將光制造技術引入飛機制造的生產線。由于激光的高方向性和不受電磁干擾的特點，制造精度主要取決于控制系統的精度。因此，進一步提高光制造的精度還有很大的潛力。

圖1.激光加工汽車組裝生產線示意圖

光制造技術要在不同產業中廣泛應用，很大程度上依賴于加工系統的性能與工藝。為使光制造技術的諸多突出優勢體現于各種技術產業之中，歐、美、日一些國家在新光源、加工系統及工藝等方面的研究與開發就從未降溫過。可以預料，在不遠的將來，光制造技術在傳統產業和高技術產業中將牽領風云，創造出前所未有的效率與價值。

2 激光微制造將成為新世紀高新技術產業的主流技術

諾貝爾物理學獎獲得者Richard Feynman早在20世紀50年代末就曾預言，制造技術將沿著從大到小的途徑發展，即用大機器制造出小機器，用這種小機器又能制造出更小的機器，并由此在微小尺度領域制造出-代代的批量加工工具。21世紀將是多學科的集成，即把微電子、微光學、微機械、以及傳感器、執行器的信號處理單元集成在-起的微納制造和微系統技術。目前，被廣泛看好的兩大領域即是信息與生命科學。①21世紀是信息量高度膨脹的時代，下一 代信息記錄追求的是高集成度、高存儲量，所要達到的刻蝕線寬/深將是0.13μm/0.08μm,這對微刻技術是個挑戰。②能夠通過注射進入人體內臟和血管的醫療微納系統，在體外傳感的操縱下，執行現狀偵探“破案”以及全面“大掃除”。可以想象，微納制造技術與功能微系統將是21世紀高新技術與產業的里程碑，其發展將使人類在認識和改造自然的能力上達到一個新的高度，導致人類生活和社會物質文明及科學技術的巨大變革。

已經成熟的微電子集成電路(1C) 工藝雖能進行大規模的加工制造，但它僅適合于硅材料、局限于平面結構和運動的加工。超短波長、超短脈沖激光通過接近衍射極限的聚焦系統，能夠實現以單光子能量為基本單位的三維微納尺寸加工。目前的研究進展已經顯示，激光微技術被公認為是有發展潛力的三維微制造技術，將可能成為微系統制造的主流技術之一。德國國家教研部從2002年開始，出臺 了為期五年的光學資助計劃，其中重要的一項內容就是激光微制造技術的研究。該計劃僅2002年的資金投入就是0.478億歐元，后續幾年的投入按一-定比例遞增。未來具有世紀標志的高新技術應重點體現在：生物細胞組織的裁剪、分離與嫁接;納米級公差范圍內的微米級精密加工制造等兩個方面。前者主要在于研究高時空分解度、高靈敏度、高選擇性、高處理速度、以及高時空的控制;對后者來說，技術的關鍵在于獲得亞納米(1~100nm)精度公差的橫向結構和超精密成型表面的制造。因此,德國采取分解式的單元技術研究。在光的微制造與微納技術的硬件方面，五年研究規劃的目標定位在新的激光光源和超精細聚焦系統.上，達到150~0.1nm光譜范圍的超紫外輸出和能越過衍射極限、分辨率小于100 nm的高重復性近場透鏡。

微納光制造及其相關技術，是當前國際競爭的主要領域，微電子產業的規模和技術水平已成為衡量一個國家綜合實力的重要標志之一，激光微技術將在這個領域發揮更大作用。我國在現代光制造發展方面，機遇與挑戰并存，我們一定要抓住機遇，迎接新世紀光制造時代的到來。

審核編輯：湯梓紅