這是一項艱巨的任務——評選出在50年激光發展史暨40年工業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并將繼續在激光市場的眾多應用中發揮重要作用，那么評選工作就能變得簡單一點。 評選的準則如下：新應用是否為工業激光加工帶來新的突破；在其介入時期，該應用是否創造出主要的商業市場；以及相關激光設備的發展是否衍生了新產品制造技術。 前兩種選擇及最早期的商業化產品幾乎同時在20世紀70年代初被發展成為商業化流程，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射進入太空。 密封 電子繼電器的密封由電子電路行業小型化的需求驅動，是在1973-1975年期間由多家美國激光公司使其商業化；Raytheon，GTE Sylvania，Holobeam和Korad公司當時都互相競爭（現在這些公司都已退出了激光業），試圖從國防部和美國航天局的承包商手中獲得早期的設備定單。 這些公司將科研的脈沖Nd:YAG激光器商業化，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），在可控的空氣系統下進行密封，這是一項激光焊接低熱輸入的完美應用。 圖1、早期的微型電氣繼電器外殼 （Raytheon公司）該激光系統首次于1973年在市場上銷售，激光密封包裝封口成為一個主要的業務，并衍生出今天的固體激光器用于可植入醫療設備密封的技術。此應用帶來了更可靠的Nd:YAG激光器、精密的運動系統以及計算機過程控制。而且，更重要的是，促使設備供應商開始考慮制造能夠在工業環境中生存下來的激光設備。 激光密封在工業激光行業發展中所扮演的角色，即使說它更重要也不過分。在這個應用建立之前，激光器一直被認為是種實驗室設備，正在尋求商業市場；設備供應商簡單地把這些實驗室設備安置在工業環境中。而它們迅速成為了供應商的高級工業化單元，可以承擔多班生產作業的嚴格要求。工業激光密封及下一個應用一起奠定了今天數十億美元工業激光器市場的基? ? 陶瓷基板劃線 微型電子產品也有減少重量的需求，這創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雜的混合半導體電路。被選擇的材料是一種薄的、高純度燒制氧化鋁，易于在生產環境中進行加工。當電路沉積后，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，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激光劃片的陶瓷混合電路賣給貝爾電話公司。一年之內，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出成千上萬數量的基板。 從那時開始到現在，合同加工車間生產了數百萬個基板。其中一家頂尖的車間——美國Laserage技術有限公司，開發出了一種激光打孔技術，允許大批量加工電氣應用的通孔（見圖2）。設備供應商如Photon Sources公司研發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，將光束分成4個加工光束，大大提高生產效率。從這項應用當中，激光設計得以進步，分光束技術提高了生產力，污水也得到控制，并發展出精密的高速運動系統。 圖2、激光鉆孔和陶瓷基板劃線 （Lumonics公司）此項應用的一個分支——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，采用1968年在貝爾實驗室開發的一個概念。兩個工藝的不同之處在于晶片切割采用連續的細線，而在氧化鋁上利用間距很小的一系列鉆孔。這兩個工藝在后續都需要依賴手工來分離劃線后的產品。 鈑金切割 1967年，英國人Sullivan和Houldcroft發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，鈑金切割應用逐漸成為今日工業激光系統制造業中最大的收入來源。英國焊接研究所研發的噴嘴走向商業化，被介紹給潛在激光系統的工業用戶，那一激光系統由德國Messer Greisheim公司和英國氧氣公司開發，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，全球范圍內安裝了超過75000臺鈑金切割系統，預計總價值超過450億美元。激光鈑金切割是目前為止應用最廣的高功率工業激光加工技術。 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年天田公司研發的“凈切削”，在此基礎上，1986年又推出一款系統，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激光器開發出了惰性氣體（熔合）切割。這些加工技術為高質量的金屬切割打開大門，免去了二次加工，是一次重大的工業進步。 激光金屬切割系統的供應商對許多廣泛應用在不同行業的技術革新貢獻了力量。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，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和技術進步。 激光鈑金切割在所有工業激光系統中創造的利潤最大，有一半的年度收入來自該領域的激光設備銷售。 渦輪葉片上的鉆孔 第一個實用且增值的紅寶石激光工業應用由Ted Maiman公司發明——在飛機發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年完成了一項發明，他們使用了美國SpaceRays公司生產的脈沖紅寶石激光系統，鉆出一系列的小孔，讓薄膜狀的冷卻氣體流經葉片表面。1974年美國Raytheon公司生產出了多紅寶石激光系統（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頻率。此種激光系統后來被Raytheon公司生產的Nd:YAG 激光器取代，其具有較高的峰值功率和更快的重復率，從而成為該應用的首選激光器。 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展帶來挑戰，設備供應商們研發出新的、更高效的固態激光器和多軸計算機控制處理系統。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，沖孔技術能產生狹長平滑的深孔，而這需要用能量密度分布良好的圓形光束來實現。 從1970年代初期得到首次商業化安裝以來，共有600多臺自動化激光系統被安裝在OEM制造廠，主要是分包商工廠當中。 該應用推動了許多激光技術分支的發展，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，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等。 拼焊板的激光焊接 具有良好的光束質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于激光拼焊板的生產。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務，現在全球各大汽車生產商廣泛采用此技術加工的零部件。 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，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，從而能節省更多的燃料。由于汽車業對拼焊部件的需求逐年上升，興起了一批生產拼焊板的分包商，他們需要購買更高功率（高達8kW）的CO2激光器。 激光拼焊用來設計和生產更輕、更節能的交通工具，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計師能夠極大地提升車身設計；在最大限度減少標準組件數量的情況下，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，新一代的焊接系統正被安裝在發展中國家市場中。迄今超過400臺價值20億美元的設備已被安裝在世界各地的汽車裝配廠中。激光拼焊的應用推動了在線焊接監控器和光束質量設備的發展，改善了激光器光束質量和機器人/激光系統。 從1984年以來，激光拼焊的應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出來。到2008年，一家美國供應商在17年期間，已為50 家車輛生產平臺制造出多達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——該項技術給整個行業帶來巨大的變革，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（見圖6）。1993-1994年間，Lumonics公司生產的低分散度Nd:YAG激光器能成功進行支架切割的次數很有限，隨后被Lasag單元所取代，后者成為該項應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構，在球囊血管成形術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的影響，以及切割出無毛刺邊緣的復雜設計圖案，通常會選擇一臺脈沖固態裝置，使用最多的是脈沖Nd:YAG激光器。 現在主要應用在醫療器械行業的支架切割，一直是推動高質量、可靠的工業激光器和運動控制系統發展的動力。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，后者現已經成為該項技術應用的首? 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Ъ堋＝裉煲延諧汕賢虻鬧Ъ茉諶蟶? 此應用帶來了一系列的進步，如：更高的可靠性，穩定的脈沖間隔，具備更高光束質量的固體激光器，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現在被稱為添加制造(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。隨著后續的新層建立，最終構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，市場出現了若干競爭技術：選擇性激光燒結，分層實體制造等，在發展中的工業服務市場相互競爭。最終，原始設備制造商接受了這項技術，特別是在SLS和SLM中應用材料的進步使制造原型零件成為可能。因此，此項技術推動了快速制造的發展，并在業內獲得了高度認可。現在技術的進步使用戶能夠生產塑料零件、金屬、陶瓷和復合材料。現在有20多個國際供應商提供激光燒結系統，另外還有一些亞洲公司提供立體光刻系統。據估計，世界各地共安裝了數千臺快速成型制造設備。 該項技術的業內專家Terry Wohlers曾估計2008年激光添加制造的產品和服務收入總計超過了7億美元。 而服務供應商是添加制造技術最早的使用者，如今這項工作多是在大型企業的內部工廠生產完成。 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備，這些國家的GDP增長速度達兩位數，比如中國（現在已經安裝了2400臺）、法國、德國和英國。剛開始接受這項新技術的國家，比如巴西、墨西哥和泰國，在2008年安裝設備的增長率達到75%-100%。 該應用生產出了穩定、可靠、低成本的固態和低功率CO2激光器，強大的CAD系統與光束和零件移動系統兼容，并催生了新一代的激光可加工聚合物和用于生產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電接觸。在1971年美國西電公司工程師們發表的論文中，描述了用相干公司CO2激光器在陶瓷上鉆小洞、產生傳導通路的應用，這便是早期的通孔鉆切應用。1974年西電公司在它的一個工廠中安裝了Photon Sources生產的CO2小孔鉆切系統，主要用于在薄膜雙層電路上鉆孔。 從這個開創性的加工開始，一個新的微孔鉆切行業應運而生，數百臺CO2、固態和準分子激光鉆孔系統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）這項成功的應用為以下的技術進步做出了貢獻，如：二氧化碳激光分束（從一個激光器中最多可以發射出四道光束），并行處理系統，更穩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，提高了生產力的自動上下料設備。這是最早出現的要求每天3班制加工且只需要低級別的技工操作的應用。 激光打標 就安裝的數量而言，激光打標/雕刻是工業激光應用最大的領域，在全球安裝了數以萬計的設備。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激光束的應用可追溯到1973，當時Korad公司開發了一個系統，采用的是5瓦的連續波鎢鹵素激光器，General Scanning公司的振鏡掃描技術，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Q型Nd:YAG激光器和西門子S319計算機。 其他幾個激光供應商先驅曾成功開發了多例防盜標記的應用。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部標刻上一系列數字，以保證不會被磨去產品身份編號。這樣，用戶改進了標記的質量和持久性，提高了生產效率，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用中，比如，金屬髖關節的打標（見圖9）是為了標記保修書和追蹤產品的情況，即使到今天也在使用這項技術。第一次的市場反應是在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博覽會上首次展出50W的Nd:YAG激光打標機。 圖9、人造髖關節上的激光雕刻模式標刻 （Quantrad公司）與激光打標并行發展的是激光雕刻市場的興起，1973年位于美國加州的光學工程學會的工程師們發明了網狀掩膜，可以通過CO2激光束掃描將掩膜圖案復制到一塊木頭上。 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的行業。今天有成千上萬的雕刻機被廣泛運用于世界雕刻產業。 激光打標/雕刻隨著無數的激光技術的發展而成為兩個不同的分支，隨著技術進步，出現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添加劑。二維矩陣碼標技術對追蹤應用產生了革命性的影響，特別是在身份證卡片制造領域。 標記/雕刻技術的應用推動了最可靠的激光系統在過去20年的發展；為長時間的生產應用所設置的標準創造了第一臺商業化的激光標刻產品。今天，每年7億美元的激光打標系統市場仍繼續以每年20％速度增長，因為激光技術現在已經成為滿足安全規定而進行序列號標記和實現追蹤性的選擇。 電路調制 1960年代末，美國貝爾實驗室首次利用激光調制微電路，以滿足電氣性能的要求。1971年，Motorola公司應用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的早期開發工作。1972年Teledyne公司和1973年Quantronix公司各自推廣了激光微調系統。 ESI公司早期的自動化激光微調系統如圖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，使其符合與嚴格設計要求一致的電路特性。 這項早期的工作催生了一個產業， 推動了各項新技術和工藝的誕生，包括探測測量技術、晶圓和芯片加工、激光和加工的CNC控制等。從此，數以千計的復雜的電路調阻設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備。 從早期到現在，全球市場已經安裝了約5000臺激光調阻機，市場價值接近6億美元。 其它應用 在所有重要的材料加工應用方面，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。以上的每一種應用都為自動激光加工系統的設計帶來了新的突破，也為使用這些技術的行業本身帶來革命性的影響。這些產品并不因為售出的數量較少而降低技術本身的重要性，也并不會減少它們對整個工業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定，所以可以將選擇的數量縮小到十個。 估計目前在全球制造業安裝超過42萬臺工業激光系統，價值超過180億美元。這是一個令人驚嘆的數字，其根源可追溯至本文中提到的早期激光應用。而且，我們有這個責任去認可那些工藝和設備開發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。