雷射技術

雷射技術

雷射技術是依據一定的原理,改變雷射振盪或雷射輻射的參數,使之適合於某一目的的技術。由於雷射具有方向性好、亮度高、單色性好等特點而得到廣泛套用。

什麼是雷射

雷射原理:

光子-內部結構模型圖光子-內部結構模型圖

科學家在電管中以光或電流的能量來撞擊某些晶體或塬子易受激發的物質,使其塬子的電子達到受激發的高能量狀態,當這些電子要回復到平靜的低能量狀態時,塬子就會射出光子,以放出多餘的能量;而接著,這些被放出的光子又會撞擊其它塬子,激發更多的塬子產生光子,引發一連串的「連鎖反應」,並且都朝同一個方前進,形成強烈而且集中朝向某個方向的光;因此強的雷射甚至可用作切割鋼板!

雷射的特性:

雷射被廣泛套用是因為它的特性。雷射幾乎是一種單色光波,頻率範圍極窄,又可在一個狹小的方向內集中高能量,因此利用聚焦後的雷射束可以對各種材料進行打孔。以紅寶石雷射器為例,它輸出脈衝的總能量不夠煮熟一個雞蛋,但卻能在3毫米的鋼板上鉆出一個小孔。雷射擁有上述特性,並不是因為它有與別不同的光能,而是它的功率密度十分高,這就是雷射被廣泛套用的塬因。

雷射有以下三大特性:

單色波長

同調性

平行光束

雷射的套用

雷射加工技術:

雷射是20世紀60年代的新光源。由於雷射具有方向性好、亮度高、單色性好等特點而得到廣泛套用.雷射加工是雷射套用最有發展前途的領域之一,現在已開發出20多種雷射加

雷射技術雷射技術
工技術。
雷射的空間控制性和時間控制性很好,對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大,特別適用於自動化加工。雷射加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備,已成為企業實行適時生產的關鍵技術,為優質、高效和低成本的加工生產開闢了廣闊的前景。
熱加工和冷加工均可套用在金屬和非金屬材料,進行切割,打孔,刻槽,標記等.熱加工金屬材料進行焊接,表面處理,生產合金,切割均極有利.冷加工則對光化學沉積,雷射快速成形技術,雷射刻蝕,摻染和氧化都很合適。
雷射快速成形:
用雷射製造模型時用的材料是液態光敏樹脂,它在吸收了紫外波段的雷射能量後便發生凝固,變化成固體材料。把要製造的模型編成程式,輸入到計算機。雷射器輸出來的雷射束由計算機控制光路系統,使它在模型材料上掃描刻劃,在雷射束所到之處,塬先是液態的材料凝固起來。雷射束在計算機的指揮下作完掃描刻劃,將光敏聚合材料逐層固化,精確堆積成樣件,造出模型。所以,用這個辦法製造模型,速度快,造出來的模型又精緻。該技術已在航空航天、電子、汽車等工業領域得到廣泛套用。
雷射切割:
雷射切割技術廣泛套用於金屬和非金屬材料的加工中,可大大減少加工時間,降低加工成本,提高工件質量。脈衝雷射適用於金屬材料,連續雷射適用於非金屬材料,後者是雷射切割技術的重要套用領域。但雷射在工業領域中的套用是有局限和缺點的,比如用雷射來切割食物和膠合板就不成功,食物被切開的同時也被灼燒了,而切割膠合板在經濟上還遠不合化算。
雷射焊接:
雷射束照射在材料上,會把它加熱至融熔,使對接在一起的組件接合在一起,即是焊接。雷射焊接,用比切割金屬時功率較小的雷射束,使材料熔化而不使其氣化,在冷卻後成為一塊連續的固體結構。雷射焊接技術具有溶池凈化效應,能純凈焊縫金屬,適用於相同和不同金屬材料間的焊接。由於雷射能量密度高,對高熔點、高反射率、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。因為用雷射焊接是不需要任何焊料的,所以排除了焊接組件受污染的可能;其次,雷射束可被光學系統聚成直徑很細的光束,換言之,雷射可以作成非常精細的焊槍,做精密焊接工作;還有雷射焊接與組件不會直接接觸,亦即這是非接觸式的焊接,因而材料質地脆弱也不打緊,還可以對遠離我們身邊的組件作焊接,也可以把放置在真空室內的組件焊接起來。因為雷射焊接有這些特點,所以它在微電子工業中尤其受歡迎。
雷射雕刻:

用雷射雕刻刀作雕刻,比用普通雕刻刀更方便,更迅速。用普通雕刻刀在堅硬的材料上,比如在花岡巖、鋼板上作雕刻,或者是在一些比較柔軟的材料,比如皮革上作雕刻,就比較吃力,刻一幅圖案要花比較長的時間。如果使用雷射雕刻則不同,因為它是利用高能量密度的雷射對工件進行局部照射,使表層材料氣化或發生顏色變化的化學反應,從而留下永久性標記的一種雕刻方法。它根本就沒有和材料接觸,材料硬或者柔軟,並不妨礙雕刻的速度。所以雷射雕刻技術是雷射加工最大的套用領域之一。用這種雕刻刀作雕刻不管在堅硬的材料,或者是在柔軟的材料上雕刻,刻劃的速度一樣。倘若與計算機相配合,控制雷射束移動,雕刻工作還可以自動化。把要雕刻的圖案放在光電掃瞄器上,掃瞄器輸出的訊號經過計算機處理後,用來控制雷射束的動作,就可以自動地在木板上,玻璃上,皮革上按照我們的圖樣雕刻出來。同時,聚焦起來的雷射束很細,相當於非常靈巧的雕刻刀,雕刻的線條細,圖案上的細節也能夠給雕刻出來。雷射雕刻可以打出各種文字、符號和圖案等,字元大小可以從毫米到微米量級,這對產品的防偽有特殊的意義。雷射雕刻是近年巳發展至可實現亞微米雕刻,已廣泛用於微電子工業和生物工程。
雷射打孔:
在組件上開個小孔是件很常見的事。但是,如果要求在堅硬的材料上,例如在硬質合金上打大量0.1毫米到幾微米直徑的小孔。用普通的機械加工工具恐怕是不容易辦到,即使能夠做到,加工成本也會很高。雷射有很好的同調性,用光學系統可以把它聚焦成直徑很微少的光點(小於一微米),這相當於用來鉆孔的微型鉆頭。其次,雷射的亮度很高,在聚焦的焦點上的雷射能量密度(平均每平方米麵積上的能量)會很高,普通一臺雷射器輸出的雷射,產生的能量就可以高達109焦耳/厘米2,足以讓材料熔化並氣化,在材料上留下一個小孔,就像是鉆頭鉆出來的。但是,雷射鉆出的孔是圓錐形的,而不是機械鉆孔的圓柱形,這在有些地方是很不方便的。
雷射蝕刻:
雷射蝕刻技術比傳統的化學蝕刻技術工藝簡單、可大幅度降低生產成本,可加工0.125~1微米寬的線,非常適合於超大規模積體電路的製造。

雷射的發展

雷射手術:
雷射能產生高能量﹑聚焦精確的單色光﹐具有一定的穿透力﹐作用於人體組織時能在局部產生高熱量。雷射手術就是利用雷射的這一特點﹐去除或破壞目標組織﹐達到治療的
近視雷射手術近視雷射手術
目的。主要包括雷射切割和雷射換膚。
雷射武器:
雷射武器有它的獨特性,令它被廣泛套用於防空,反坦克,轟炸機自衛等軍事用途.雷射之所以能成為威力強大的武器,是因為它有叄個層次的破壞能力:
1.燒蝕效應跟雷射熱加工塬理一樣,當高能雷射束射到目標時,雷射的能量會被目標的材料吸收,轉化為熱能.這些熱能足以令目標部分或完全穿孔,斷裂,熔化,蒸發,甚至產生爆炸.
2.激波效應如目標材料被氣化,目標材料會在極短時間內產生反衝作用,形成壓縮波使材料表面層裂碎開,碎片向外飛時造成進一步破壞.
3.輻射效應目標材料氣化的同時會形成電漿雲,能產生輻射紫外線及X光線,使目標內部的電子零件被破壞。
雷射能源:
雷射還可套用於核能發電上。世界上現在建成的核發電站使用的核燃料是鈾,使用氚核燃料的研究尚未成功。從研究所得,氚核燃料比鈾核燃料更加耐燒,1公斤氚核燃料燃燒產生的能量比鈾核燃料高3倍多。更有吸引力的是氚核燃料在地球上的貯量大。1公斤海水中含有0.03克氚,地球上的海洋中就裝有1021公斤海水;或者說,地球的海洋中就貯藏有1017公斤氚,把它開發出來做燃料,就相當於給我們提供了10萬億億(1017)噸煤,足夠人類用上幾億年,既然氚核燃料這么好.為甚么現在還不用?問題就在於把它點火燃燒不是一件容易做到的事。劃一根火柴燃燒的溫度就可以把紙片,汽油點著火,要讓這種核燃料著火,則需要億度的高溫。雷射是目前較有可能達到這個點火溫度的技術。

推動加工業轉型升級

近些年來,由於傳統加工方法大都為力的傳遞,因此加工速度受到限制,而雷射加工更多地是光的傳遞,慣性小,柔性大,而且雷射能量密度高,加工速度可以很快,所以雷射加工被譽為“未來製造系統共同的加工手段”。雷射加工技術在世界範圍內的迅猛發展正在引起一場新的工業革命,最終使材料加工業從目前的電加工時代過渡到光加工時代。

觀研天下機械行業分析師指出:雷射加工技術是利用雷射束與物質相互作用的特性對材料進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術。雷射精加工和雷射微加工不僅促進了微電子工業的發展,而且為微型機械製造提供了條件。雷射加工技術也迎來了自己的時代。 

雷射加工技術是利用高功率密度的雷射束照射工件,使材料熔化氣化而進行穿孔、切割和焊接等的特種加工。早期的雷射加工由於功率較小,大多用於打小孔和微型焊接。後來,隨著大功率二氧化碳雷射器復頻率釔鋁石榴石雷射器的出現,以及對雷射加工機理和工藝的深入研究,雷射加工技術有了很大進展,使用範圍隨之擴大。雷射加工技術迎來了新的發展紀元。 

數千瓦的雷射加工機已用於各種材料的高速切割、深熔焊接和材料熱處理等方面。各種專用的雷射加工設備競相出現,並與光電跟蹤、計算機數字控制、工業機器人等技術相結合,大大提高了雷射加工機的自動化水平和使用功能。從雷射器輸出的高強度雷射經過透鏡聚焦到工件上,任何材料都會瞬時熔化、氣化。雷射加工就是利用這種光能的熱效應對材料進行焊接、打孔和切割等加工的。

觀研天下在《中國雷射加工行業市場分析及投資價值研究報告2013-2017》中提到:雷射加工技術與傳統加工技術相比具有很多優點,所以得到如此廣泛的套用。例如說,雷射加工技術的光點小,能量集中,熱影響區小;不接觸加工工件,對工件無污染;不受電磁干擾,與電子束加工相比套用更方便;雷射束易於聚焦、導向,便於自動化控制,而且採用非接觸式加工,不會對材料造成機械擠壓或機械應力,它的加工精度很高,並且它的套用範圍廣泛,幾乎可對任何材料進行雕刻等等。由於這些特點都是傳統加工技術所沒有的,雷射加工技術自然憑藉其得天獨厚的優勢在機械加工的歷史舞台上刻上了自己的烙印,迎來自己的發展春天。

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