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神奇的激光--激光应用大全
激光是神奇的,自发明以来,它的应用越来越广泛,虽然大多数人没有听说过激光,也很少接触到激光,但激光真真切切已经慢慢的渗入了我们的生活,下面从以下这些方面讲讲激光在各行各业的应用。
一、激光打标
1、激光打标的原理:
激光打标是用激光束在各种不同的物质表面打上的标记。打标的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质,或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而"刻"出痕迹,或者是通过光能烧掉部分物质,显出所需刻蚀的图案、文字。
目前,公认的原理是两种:
"热加工"具有较高能量密度的激光束(它是集中的能量流),照射在被加工材料表面上,材料表面吸收激光能量,在照射区域内产生热激发过程,从而使材料表面(或涂层)温度上升,产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。
"冷加工"具有很高负荷能量的(紫外)光子,能够打断材料(特别是有机材料)或周围介质内的化学键,至使材料发生非热过程破坏。这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义,因为它不是热烧蚀,而是不产生"热损伤"副作用的、打断化学键的冷剥离,因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。例如,电子工业中使用准分子激光器在基底材料上沉积化学物质薄膜,在半导体基片上开出狭窄的槽。
2、激光打标的特点:
1)非接触加工:可在任何规则或不规则表面打印标记,且打标后工件不会产生内应力;
2)材料适用面广:可在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张、皮革等不同种类或不同硬度的材料上打印;
3)可与生产线上的其他设备集成,提高生产线的自动化程度;
4)标记清晰、持久、美观,并可有效防伪;
5)使用寿命长、;
6)运行成本低:打标速度快且标记一次成型,能耗小,因而运行成本低。
虽然激光打标机的设备投资比传统标记设备大,但从运行成本而言,使用激光打标机要低得多。
①塑封三极管打标:打标机工作速度为10个/秒,若设备折旧以5年计算,打标费用为0.00048元/个。如果使用移印机,其综合运行成本约为0.002元/个,甚至更高。
②轴承表面打标:若轴承三等分打字,总共18个4号字,采用振镜式打标机,以氪灯灯管的使用寿命为700小时计算,则每个轴承的打标综合成本为0.00915元。电腐蚀刻字的成本约为0.015元/个。以年产量400万套轴承计算,仅打标一项,1年少可以降低成本约6.5万元。
7)加工:计算机控制下的激光光束可以高速移动(速度达5~7米/秒),打标过程可在数秒内完成。1个标准计算机键盘的印字可在12秒内完成。激光打标系统均配有计算机控制系统,可以与高速流水线灵活配合。
8)开发速度快:由于激光技术和计算机技术的结合,用户只要在计算机上编程即可实现激光打印输出,并可随时变换打印设计,从根本上替代了传统的模具制作过程,为缩短产品升级换代周期和柔性生产提供了便利工具。
9)加工精度高:激光能以极细的光束作用于材料表面,细线宽可达到0.05mm。为精密加工和增加防伪功能了宽广的应用空间。
激光印标能满足在极小的塑料制件上印制大量数据的需要。例如,可印制要求更,清晰度更高的二维条码,与压印或喷射打标方式相比,有更强的市场竞争力。
10)维护成本低:激光打标是非接触式打标,不像模版印标工艺有使用寿命的限制,在批量加工中的维护成本极低。
11)具有环保性:激光打标为非接触式打标,节约能源,相对于腐蚀法,避免了化学污染;相对于机械式打标,也可减少噪声污染。
二、激光雕刻
激光雕刻一般指的是在非金属材料上面进行雕刻或切割。 激光雕刻按雕刻方式不同可分为点阵雕刻和矢量切割:点阵雕刻 点阵雕刻酷似高清晰度的点阵打印。激光头左右摆动,每次雕刻出一条由一系列点组成的一条线,然后激光头同时上下移动雕刻出多条线,后构成整版的图象或文字。扫描的图形,文字及矢量化图文都可使用点阵雕刻。 矢量切割 与点阵雕刻不同,矢量切割是在图文的外轮廓线上进行。
一台雕刻机的性能,主要由雕刻速度,雕刻强度和光斑大小而决定. 雕刻速度 雕刻速度指的是激光头移动的速度,通常用IPS(英寸/秒)表示,高速度带来高的生产效率。速度也用于控制切割的深度,对于特定的激光强度,速度越慢,切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻机面板调节速度,也可利用计算机的打印驱动程序来调节。在1%到的范围内,调整幅度是1%。悍马机的运动控制系统可以使您在高速雕刻时,仍然得到超精细的雕刻质量 雕刻强度 雕刻强度指射到于材料表面激光的强度。对于特定的雕刻速度,强度越大,切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻机面板调节强度,也可利用计算机的打印驱动程序来调节。在1%到的范围内,调整幅度是1%。强度越大,相当于速度也越大。切割的深度也越深 光斑大小 光束光斑大小可利用不同焦距的透镜进行调节。小光斑的透镜用于高分辨率的雕刻。大光斑的透镜用于较低分辨率的雕刻,但对于矢量切割,它是佳的选择。新设备的标准配置是 2.0英寸的透镜。其光斑大小处于中间,适用于各种场合。
一般雕刻机可雕刻以下材料:木制品、有机玻璃、金属板、玻璃、石材、水晶、可丽耐、纸张、双色板、氧化铝、皮革、树脂、喷塑金属。
三、激光切割
激光切割这里指的是金属类产品的切割。
激光切割的主要特性
1、激光切割的切缝窄,工件变形小
激光束聚焦成很小的光点,使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分,材料很快加热至汽化程度,蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动,使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切边受热影响很小,基本没有工件变形。 切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助汽体。钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料,同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气,棉、纸等易燃材料切割使用惰性汽体。进入喷嘴的辅助汽体还能冷却聚焦透镜,防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。 大多数有机与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有份量很重的金属加工业,许多金属材料,不管它是什么样的硬度,都可以进行无变形切割。当然,对高反射率材料,如金、银、铜和铝合金,它们也是好的传热导体,因此激光切割很困难,甚至不能切割。 激光切割无毛刺、皱折、精度高,优于等离子切割。对许多机电制造行业来说,由于微机程序控制的现代激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件,它往往比冲切、模压工艺更被选用;尽管它加工速度还慢于模冲,但它没有模具消耗,无须修理模具,还节约更换模具时间,从而节省了加工费用,降低了生产成本,所以从总体上考虑是更合算的。
2、激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工
激光束聚焦后形成具有能量的很小作用点,把它应用于切割有许多特点。,激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内,可提供
(1)狭的直边割缝;
(2)小的邻近切边的热影响区;
(3)极小的局部变形。
其次,激光束对工件不施加任何力,它是无接触切割工具,这就意味着
(1)工件无机械变形;
(2)无刀具磨损,也谈不上刀具的转换问题;
(3)切割材料无须考虑它的硬度,也即激光切割能力不受被切材料的硬度影响,任何硬度的材料都可以切割。
再次,激光束可控性强,并有高的适应性和柔性,因而
(1)与自动化设备相结合很方便,容易实现切割过程自动化;
(2)由于不存在对切割工件的限制,激光束具有无限的仿形切割能力;
(3)与计算机结合,可整张板排料,节省材料。
3、激光切割具有广泛的适应性和灵活性
与其它常规加工方法相比,激光切割具有更大的适应性。 ,与其他热切割方法相比,同样作为热切割过程,别的方法不能象激光束那样作用于一个极小的区域,结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。激光能切割非金属,而其它热切割方法则不能。
四、激光焊接
激光焊接的原理:将高强度的激光辐射至金属表面,通过激光与金属的相互作用,使金属熔化形成焊接。由于其特的优点,已成功地应用于微、小型零件的精密焊接中。高功率CO2及高功率YAG激光器的出现,开辟了激光焊接的新领域,获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接,在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的应用。
与其它焊接技术比较,激光焊接的主要优点是:
激光焊接速度快、深度大、变形小。
能在室温或特殊条件下进行焊接,焊接设备装置简单。例如,激光通过电磁场,光束不会偏移;激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊,并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。
激光聚焦后,功率密度高,在用高功率激光器焊接工件时,深宽比可达5:1,高可达10:1。
可焊接难熔材料如钛、石英等,并能对异性材料施焊,效果良好。例如,金刚石锯片,用激光将基材(65Mn)和高强超硬的人造金钢石焊接,使这种锯片寿命、价值倍增。
可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑,且能精密定位,可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中。例如,集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装、手机电池的封焊等由于采用了激光焊,不仅生产效率大大提高,且热影响区小,焊点,大大提高了焊接的质量。
可焊接难以接近的部位,施行非接触远距离焊接,具有很大的灵活性。尤其是近几年来,在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术,使激光焊接技术获得了更为广泛的推广与应用。
激光束易实现光束按时间与空间分光,能进行多光束同时加工及多工位加工,为更精密的焊接提供了条件。
五、激光打孔
由于激光具有高能量,高聚焦等特性,激光打孔加工技术广泛应用于众多工业加工工艺中,使得硬度大、熔点高的材料越来越多容易加工。例如,在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径;在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔;在红、蓝宝石上加工几百微米的深孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等。利用激光束在空间和时间上高度集中的特点,经而易举地可将光斑直径缩小到微米级,从而获得100~1000W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度几乎可以在任何材料实行激光打孔。 通常激光打孔机由五大部分组成:固体激光器、电气系统、光学系统,投影系统和三坐标移动工作台。五个组成部分相互配合从而完成打孔任务。
固体激光器主要负责产生激光光源,电气系统主要负责对激光器供给能量的电源和控制激光输出方式(脉冲式或连续式等),而光学系统的功能则是将激光束地聚焦到工件的加工部位上。为此,它至少含有激光聚焦装置和观察瞄准装置两个部分。投影系统用来显示工件背面情况。工作台则由人工控制或采用数控装置控制,在三坐标方向移动,方便又准确地调整工件位置。工作台上加工区的台面一般用玻璃制成,因为不透光的金属台面会给检测带来不便,而且台面会在工件被打穿后遭受破坏。工作台上方的聚焦物镜下设有吸、吹气装置,以保持工作表面和聚焦物镜的清洁。
激光打孔机与传统打孔工艺相比,具有以下一些优点:
(1)激光打孔速度快,,经济效益好。
(2)激光打孔可获得大的深径比。
(3)激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。
(4)激光打孔无工具损耗。
(5)激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。
(6)用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。
30.我国激光加工及激光加工及市场展望
激光加工技术一直是国家支持和推动应用的一项高新技术,特别是强调要振兴制造业,这就给激光加工技术应用带来发展机遇。在国家制定中长远期发展规划时,又将激光加工列为关键支撑技术,因为它涉及、建设、高新技术的产业化和科技的发展,这就把激光加工提升到很高的重视程度,也必将给激光加工机的制造和升级带来很大的商机。
从中国光学光电子行业协会激光分会的逐年统计看,激光加工装备的年销售额一直在高速增长。如2003年比2002年增长21.6%,2004年比2003年增长18%。充分说明,激光加工技术在我国已经从研究,实验探索中走出了象牙之塔,走上实用化的道路。崛起一批激光加工装备制造企业,生产出成千上万台满足应用的激光加工机。保持销售额年增长在20%左右。由于对的各种宣传、展示、普及和为用户培训,也大大地把激光加工的市场拓大拓宽,给国内用户带来采用这种制造技术的信心和决心,促成激光加工得以越来越广泛应用的外部环境,这便是我们经常说的市场牵动。市场牵动又推动着激光加工机的,如此这般,形成连锁反应。正因如此推动,目前已经形成激光加工机生产企业达200余家,从业人员近2万,其中科技人员约占50%,具有中职称的员工约占30%,已经形成一支具有相当实力的产业队伍。同时,也吸引了世界各地许多激光加工设备制造商的关注和跟进,已经国际化了。
由于本人参与激光行业的统计和适度分析工作,在此概括起来说,近2年有如下几种激光加工机产品,向读者一简介:
热点产品:
一、激光切割机产品的高速发展
前几年,国内在销的激光切割机大部分为国外进口产品,国内产品所占份额甚小。随着用户对激光切割技术特点的逐步深入了解和示范性采用,带动了国内企业纷纷转向生产激光切割机。如产量大的生产企业为上海团结普瑞玛激光设备公司,年订货已超过100余台,在全球产量排序为第八位。其它还有华工激光工程分公司、济南捷迈、沈阳普瑞玛、江苏金方园等。近期有几个度较高的激光加工机生产企业也投入力量,开始生产激光切割机的有武汉楚天激光,大族激光等。
估计近期销售量1~4KW激光切割机达300~350台,国内供货可占200余台,其他100余台为国外产品,来自德国、瑞士、日本、韩国、比利时等国。目前瑞士百超已在国内组装激光切割机,并已开始销售。
这些激光切割机的用户,包括电气制造、电梯业、运输机械、石油工业、纺织机械、粮食机械、医疗机械、灯具、装饰、包装业以及激光加工站和科研院所的多方面应用。
CO2激光切割技术是激光加工应用广泛的技术之一。据我了解:欧洲已安装了12000台,北美安装有11000台,日本安装有10000台。我国台湾安装已超过500台。中国大陆安装数约为800台,功率逐渐由2000W提升到3KW、4KW,从以上可看出CO2激光切割机已经成为国内主要热品产品。随着应用面扩大,高功率CO2激光器国内产品的逐步过关,必将牵引我国激光销售快速增长。
二、激光打标机(标记机)将继续前冲
按照全球对激光加工系统销售总量的统计,激光打标机仅次于激光切割机,占第二位。近年来,接近激光切割机销售量,各占总量的1/3左右。而我国则相反,激光打标机的销售额一直占国内激光加工销售额的50%以上,在较大范围内了,并大大地开拓了应用的工业领域,可以说,比国外的应用面要广泛得多。已应用的行业有电子工业、汽车工业、工具量具、航空航天、仪器仪表、包装工业、医疗产品、家用电器、键盘、面板、广告标牌、证件卡片、日常用品、珠宝钻石等领域。标记对象的材料可以是各类金属和非金属。如不锈钢、铝合金、有机玻璃、塑料、陶瓷、合成材料、木材、橡胶、皮革制品、纸制品、印刷电路板、多种电子电器元件、、钮扣、、金属零件,一直到食品包装、药品包装,以至螃蟹等。其年销售台数约为4000~5000台。它所采用的激光器由灯泵Nd:YAG激光器,玻璃管或金属腔的CO2激光器,近年,光纤激光器和全固态激光器正批量进入打标生产企业,与之配套。打标机可对零件在固定位置打标也可对在流水线上物品进行飞行打标。我国生产打标机较企业有大族激光、华工激光、楚天激光、大恒激光、桂林星辰激光、志恒达激光等公司,还有众多生产激光打标机的中小企业也是重要的单位,它们一起把我国的打标机市场做得越来越大,应用面越来越宽,目前也开始批量出口。特别值得一提的是很有实力的企业,自行开发、生产七彩打标机,一时间订购此种打标机的单位甚多,相信这种创新产品会获得更大发展。
三、25W~100W级激光加工机
这里主要指采用25W~100W级CO2激光器,加上以X-Y桌面工作台系统为主的机型,同时也有用Nd:YAG激光器加振镜集成的加工机。它可以进行雕刻包括内雕、裁剪、镂空、绣花和切割加工。种类多、价位低、用途广、适合国情。年产量在6000台左右。广泛用于印章、柔性板、礼品、广告、标牌、工艺品以及工业用非金属制品。可对牛角、玻璃、塑料、橡胶制品、竹木制品、合成材料、布料、皮革等材料进行激光加工。由于它是电脑排版、自控、不接触加工、速度快(比手工或其它加工方式快许多)智能化程度高,操作方便等特优点,所以占据了国内广大市场,并且销往中东、东南亚、南美、东欧、非洲等地颇受欢迎。生产X-Y工作台机型度较高的由浙江博业激光、广东粤铭激光和武汉金运激光等公司,它们的迅速崛起形成了生产格局,目前博业激光已建成35000平米的厂房,金运激光建成10000平米厂房,粤铭激光不仅进一步扩大原产地生产能力,还在上海建立分厂。这种机型除雕刻柔性橡胶,竹简外还进入激光剪裁服装、皮革、绣花等工作,使这些企业产品升级,促进了市场发展,它们已将送料、收料、原料负压吸附、自动摄像定位、双头裁剪等技术逐步加以应用,使激光加工设备可以融入服装生产的自动化流水线作业中,使产品智能化升级。
值得一提的是激光内雕机也是迅速发展的产品之一,它是通过激光诱导在玻璃体内形成炸裂点的光散射构成白色立体内雕图像。近期本技术又取得进一步发展。国内某单位开发出彩色内雕技术,可在玻璃体内相继打出红、橙、黄、蓝、紫等色彩的图案,不久产品即将投放市场。给内雕制品增添光彩。
31.全固态激光器的研发与应用概况
半导体激光泵浦的全固态激光器是20世纪80年代末期出现的新型激光器。全固态激光器的总体效率至少要比灯泵浦高10倍,由于单位输出的热负荷降低,可获取更高的功率,系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦系统的100倍,因此,半导体激光器泵浦技术为固体激光器注入了新的生机和活力,使全固态激光器同时具有固体激光器和半导体激光器的双重特点,它的出现和逐渐成熟是固体激光器的一场革命,也是固体激光器的发展方向。并且,它已渗透到各个学科领域,例如:激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯 、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光投影显示、激光检测与计量及激光技术等,地促进了这些领域的技术进步和的发展。这些交叉技术与学科的出现,大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。
全固态激光器是其应用技术领域中关键的、基础的核心器件,因此一直倍受关注。近年来,由于大功率半导体激光器迅速发展,促成全固态激光器的研发工作得以卓有成效地展开,并取得了诸多显赫成果。已经确认,传统灯泵浦固体激光器的赖以占据世界激光器市场主导地位的所有运转方式,均可以通过半导体激光器泵浦成功地加以实现。通常应用在激光打标机、激光划片机、激光切割机、激光焊接机、激光去重平衡、激光蚀刻等系统中。由于全固态激光器具有高光电转换效率、高功率、高稳定性、高可靠性、寿命长、体积小等优势,采用全固态激光器已成为激光加工设备的趋势和主流方向。
一、国外发展概况
目前,美国、日本、德国3个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展的趋势。日本在光电子技术方面占,在激光医疗及激光检测方面,美国占,而在激光材料加工设备方面则是德国占。
半导体激光泵浦的全固态激光器已是工业用激光设备的核心器件,也可以单作为激光器应用。
目前,国外千瓦级全固态激光器系统已有诸多报道,休斯航天航空实验室的研究人员们用侧面泵浦棒状Yb:YAG晶体获得了0.95kW的大功率输出。日本在2005年实现输出平均功率大于等于10kW,电光效率大于等于20%的高功率全固态激光器。国外工业发达国家,全固态激光器已开始成为工业用标准激光器。据文献报道:国外全固态激光器商品级单腔输出激光功率1.1kW,高输出功率6kW以上。ROFIN公司已有千瓦级大功率全固态激光器及系统;相干公司、光谱物理公司、Lightwave electronics公司等都有多品种、多系列的全固态激光器出售。美国Lee Laser是世界的高功率50~100W 532nm绿激光的生产商,产品广泛应用于原晶的激光加工和处理。总体来说,国外全固态激光器技术及应用设备工程化水平高,产品已趋向成熟。
在大功率全固态红色激光器问世后,大功率全固态蓝、绿激光器的相继问世,为彩色激光电视的发展奠定了基础。微电子技术及精密加工技术的发展使得激光大屏幕显示技术走向实用化。俄罗斯、美国、德国等相继成功开发了高功率激光显示系统、激光电视、激光数字影院等。高功率激光显示系统的功率已达到20W的水平,显示图像的面积大于10m2。随着技术的发展,全固态激光器的输出功率还将越来越大;另一方面,为了适应激光电视的发展,全固态激光器的体积将越来越小。当前激光电视正进入产业化的前期,产业化的高潮即将兴起。
全固态紫外激光器的发展和应用是当前国内外引人关注的亮点之一,全固态紫外激光器与传统的准分子紫外激光器相比较,具有体积小、、寿命长、光束质量好、、不需要更换特殊气体、价格便宜等许多优点,在国外,全固态紫外激光器已成为激光划片、微细钻孔等微电子加工的理想激光源。近几年,美国、德国、特别是日本都在加大力量发展全固态紫外激光器,特别是中大功率全固态紫外激光器的开发应用。由于1064nm或532nm波长激光对材料的加工主要是产生气化或熔融等热作用,所以加工出的产品往往很难达到精细、光滑,甚至有些材料(如陶瓷、硅片等)在加工时会引起碎裂,因此,全固态紫外激光器在激光微加工、激光精密加工有着广泛推广应用的趋势。目前国外工业发达国家,全固态紫外激光器已开始成为工业用标准激光器。据文献报道:日本M.Nishioka公司已研发出40W的266nm全固态紫外激光器;三菱公司也在市场上推出了18W 355nm 25kHz全固态紫外激光器产品;另外相干公司的AVIV系列激光器已做到在266nm,30kHz时,平均功率大于3W,在355nm,40kHz时,平均功率大于10W;光谱物理公司的YHP-series系列激光器也达到在266nm,20kHz时,平均功率大于1.5W,在355nm,20kHz时,平均功率大于3.5W;Lightwave electronics公司所推出的 Q301-SM激光器也达到了在355nm,10kHz时,平均功率大于10W的技术指标。总体来说,国外全固态紫外激光器技术及应用设备已趋向成熟,但价格昂贵。
高功率半导体激光列阵单光纤耦合模块可直接作为光源广泛应用于激光医疗、信息产业、激光加工、工业、激光武器和战术装备等领域。作为泵浦光源将是泵浦全固态激光器的核心器件,是一种高光-光转换效率(大于30%)的高功率泵浦全固态激光器的商用半导体激光光源模块,是替代灯泵浦激光器的理想产品。目前,国外半导体激光器单根光纤耦合模块的高研究水平是耦合进入1个芯径400μm,输出功率200W。耦合进入1根800μm的光纤,输出功率700W;耦合进入1根1.5mm的光纤,输出功率超过2000W。国外出售的单光纤耦合模块产品水平如:Apollo公司产品为光纤芯径100~600μm、光纤输出功率15~100W;LIMO 公司产品为光纤芯径200~600μm、光纤输出功率10~50W。
二、国内研究进展
全固态激光器的发展方向大体为:输出功率为微/小/中型的器件将沿着多样化、智能化、产业化方向发展,大功率器件将向高平均功率/高光束质量发展,而战略性应用的高能全固态激光器将得到特别加强从而开发出更多新技术,如目前正待发展的热容运转技术和功率合成技术。
目前,国内大功率全固态激光器研究水平高的代表为中科院物理所,已研制出大功率全固态激光、全固态宽调谐飞秒激光器、深紫外至中红外全固态激光器。并用自行研制的全固态高功率红、绿、蓝三基色激光器为光源,于2002年在国内实现全固态激光全色显示,2003年实现60前投和背投原理性演示样机,2005年成功研制出60激光家庭影院、84及140大屏幕激光显示样机。先后参加了863“十五”重大成果展、科技创新展和上海国际工业博览会,获得博览会的科技创新奖。而我国对全固态紫外激光技术及应用系统的研究尚处在起步阶段。
国科激光与多年从事全固态激光器研究的中科院物理所合作,对该所在国家973项目、863项目和中科院重大项目等支持下的,并通过863验收、中科院院级成果鉴定的CW红光全固态激光器(国际)、多波段宽调谐全固态激光器(国际)、CW绿光全固态激光器(国内,国际)、QCW高光束质量全固态激光器(国内)等科研成果进行接产。还与该所合作完成全固态高功率红、绿、蓝三基色激光器,紫外全固态激光器,高光束质量、高功率QCW全固态激光器等项目,并研制成功国内台可调谐掺钛蓝宝石激光器。
中国科学院和中国工程物理研究院从20世纪80年代开始联合攻关,承担了“神光”系列激光系统的研制和ICF物理实验,取得了国际瞩目的成就。其中,“神光-Ⅰ”激光装置于1986年建成,达到国际同类装置的水平。“神光-Ⅰ”连续运行8年,在ICF和X射线激光等领域取得了一批国际水平的物理成果。90年代又研制小型的“星光II”激光装置和“神光-Ⅱ”激光装置现已投入运行,总体技术性能进入世界位。1995年,ICF在国家863计划中立项为“惯性约束聚变”主题,在中国工程物理研究院开始研制“神光-Ⅲ”激光装置。
尽管“神光III”激光装置的规模比美国目前在建的NIF要小许多,但“神光III”的建设集中了当前国内的光学、激光、精密机械及计算机控制等系统为一体的综合性高科技工程项目。国科激光与中国工程物理研究院合作为“神光III”激光装置研制预放系统。
目前,在国内,国科激光属于具有很好的研究基础和产业化生产技术,是国内的高新技术型企业,已成功的掌握了大功率全固态激光器的核心制造技术,并制定了全固态激光器的企业标准,将此技术向产业化方向发展,必然会给激光技术的应用带来革命性的变革。
三、市场发展前景
目前,美国、日本、德国等国家在制造业,如电子、医疗、汽车、航空、航天、等领域已基本完成传统工艺的更新换代,步入“光加工”时代。近年来由于半导体激光的迅速发展,使半导体激光泵浦的全固态激光器加工设备所占的市场份额越来越大。德国Rofin激光公司所销售的激光加工设备中60%已是全固态激光器。
根据相关统计,国外全固态激光器产业2004年销售额已达近百亿美元,其中产品销售额的29%用于激光标记,15%用于激光微加工。全球全固态激光器加工系统年增长率约为23%,而全固态激光器是激光器加工系统的核心部件,市场需求也将同步增长,其年需求增长率将达到20%以上。因此,全固态激光器的发展趋势很好,市场前景非常广阔。
据《Laser Focus》杂志和《Laser Report》杂志的预测,目前全世界全固态激光器的需求量至2008年可达到20万台。这一需求量每年以20%以上的速度增加,每年实际的市场销售达到市场容量的90%,其中对大功率全色激光器的需求将是一个大的增长点。
近年来中国激光市场呈现出稳定、高速增长的态势。自1999-2005年,中国激光产品市场销售情况分别为:14.13亿、19.11亿、32.4亿、28.62亿、36.89亿、42.32亿、47.75亿元人民币。在整个中国的激光产业中,激光材料加工近几年的发展势头强劲,且有很大的空间,激光加工在中国激光产业中占的比例也是日益重大。在看到行业迅猛发展的同时,我们还应该看到我国激光产业起步晚、基础薄弱,与世界国家的差距还很大。例如:与国际上激光加工系统相比,我国的激光加工系统差距甚大,仅占全球销售额的2%左右。主要表现为:激光加工系统很少,甚至没有;主力激光器不过关;微细激光加工装备缺口较大。这些领域我国的生产企业正在积蓄力量稳步进入,国内应用市场有很大发展空间。
侧面泵浦全固态激光器可以单作为1064nm激光器使用或是作为核心器件普遍被应用在激光打标机、激光划片机、激光内雕机及其它应用系统中。根据统计,目前国内仅打标机及雕刻机的生产厂家就达100多家,年生产能力达到2000~5000套。应用系统对固体激光器需求量应在4000套以上,总销售额将达2亿元以上。由于全固态激光器具有高稳定性、高功率、寿命长等优势,其中约有60%将采用全固态激光器,其年需求量应在2000~3000套。主要集中在深圳、北京、上海、武汉、天津等激光加工产业比较发达的大中城市及其周边地区。根据上述全固态激光器的年需求量约在3000套左右。
蓝、绿DPL当前国际市场商品价格约1万美元/W,如CW(连续)532 nm器件,10W价格为10万美元,5W约5万美元,蓝、绿光的国际需求很大, Laser Focus World杂志预计为20亿美元/a。
紫外355nm DPL 目前国际市场价格约为2万美元/W,并且,目前中大功率的全固态紫外激光器的市场份额全部被国外占据,建立自主全固态紫外激光产品产业迫在眉睫。
目前,国内对半导体激光列阵单光纤耦合模块及其应用系统的研究尚处在初级阶段,主要是被进口产品所。由于近年国内半导体激光列阵单光纤耦合模块随经济发展需求量保持强劲的上升状态,需求量较大,市场前景广阔。
据中国光学光电子行业协会(COEMA)激光分会的统计, 2002年全国激光加工系统设备产值突破10亿元,达到10.355亿元,比2001年增长65%。2002年全球激光加工市场销售额为29.9亿美元(约260亿人民币),两者相比,中国约占1/26。工业激光加工设备在中国国内经济较发达、较活跃地区获得快速应用。例如,在广东省于2002年底约有1500多台CO2和Nd:YAG激光打标机,用于PC键盘等其他元器件的加工;约有100多台激光划片机用于太阳能电池晶片和芯片的加工;例如,浙江省桥头镇用于衣服纽扣打标的激光打标机已有100多台,该小镇生产的衣扣占全球衣扣市场的40%多。国内激光打标占国内工业激光市场45.3%,并且主要应用于轻工业品、小五金工业品等领域。这表明国内激光打标将要的应用领域很大。
目前,国内激光设备厂商主要以提供低端设备为主,激光器也以传统的灯泵YAG固体激光器和低端的CO2激光器为主。各种激光加工设备中的很多关键器件都需要进口。虽然中国激光技术研究一直处于世界前列,但是激光产业发展确实与国际水平的差距悬殊。例如,国际上汽车制造业中的激光应用早已非常普遍,而国内所有的汽车生产线都是采用国外的激光加工设备。
目前,半导体器件制作单位对紫外划片机显示出强烈的需求愿望,但进口价格昂贵,且售后服务不尽人意,时间无法。作为激光加工产品对可靠性要求很高,若产生故障没有3个月是无法修复的,而国外公司对这类激光器技术是保密的,绝不可能将维修放在国内。激光划片机市场需求量按目前市场估算,一般传统激光划片机销量为100台/a,其中将有60%为基频高光束质量全固态激光器或紫外全固态激光器所替代。因此,尽快研制开发出自己的全固态紫外激光器及划片机产品,特别是将其尽快产业化,并带动相关产业实现技术跨越,进入领域,这无论从技术创新上来说,还是从提高产品档次,扩展出口品种,国际市场方面来说,都有重要的意义。
国内激光加工应用市场,而这个市场自加入WTO以来,正在迅速形成的“全球制造基地” 而获得快速增长。国内外投资者和激光业者正在抢占这一市场。因此,国内的激光加工应用市场将迅速增长,激光加工技术产业化应加速实现。国内从事全固态激光器和激光加工技术系统研发、生产和经营的企业正面临机遇和挑战。
但目前国内激光加工设备制造所用的全固态激光基本依靠进口,购买价格昂贵且售后服务滞后,使工业化应用受到很大制约,严重地影响了我国激光加工制造业的快速发展,成为制约我国激光加工行业的瓶径之一。现阶段,我国激光技术的发展正处于一个关键的抉择时刻,将对我国今后激光技术和激光产业的发展产生深远的战略性影响。为了促进全固态激光器及应用系统的产业化和制造水平的发展,提升我国激光技术水平和国际竞争力,满足国内对可靠稳定的激光技术和器件的急切需求,在“十一五”期间,有必要加强在全固态激光器及应用系统产业化的技术再创新,以全固态激光器件的产业化为起点,提高全固态激光器件的稳定性和可靠性,满足国家在制造业、医学、科研、等的需求,打造拥有自主知识产权的品牌全固态激光器及应用系统;解决工程化关键技术与共性技术,推动激光技术产业的发展,根据市场需要研究和开发,全固态激光器及应用系统新产品,努力创造好产品,为我国激光应用领域,提供稳定、可靠的全固态激光器及应用系统。