激光工業(yè)推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展
我國于1961年研制出第一臺激光器,40多年來,激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛,已與多個學(xué)科相結(jié)合形成多個應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域,比如信息光電子技術(shù),激光醫(yī)療與光子生物學(xué),激光加工技術(shù),激光檢測與計量技術(shù),激光全息技術(shù),激光光譜分析技術(shù),非線性光學(xué),超快激光學(xué),激光化學(xué),量子光學(xué),激光雷達(dá),激光制導(dǎo),激光分離同位素,激光可控核聚變,激光武器等等。這些交叉技術(shù)與學(xué)科的出現(xiàn),大大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)。激光加工技術(shù)是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學(xué)科的一門綜合技術(shù),它的研究范圍一般可分為:
1.激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。
2.激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。
激光焊接:汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器,CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。
激光切割:汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
激光打標(biāo):在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用,目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。
激光打孔:國內(nèi)激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展,主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主,也有一些準(zhǔn)分子激光器、同位素激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。
激光熱處理:在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛,如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理,同時在航空航天、機床行業(yè)和其它機械行業(yè)也應(yīng)用廣泛。我國的激光熱處理應(yīng)用遠(yuǎn)比國外廣泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器,CO2激光器為主。
激光快速成型:將激光加工技術(shù)和計算機數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合而形成。多用于模具和模型行業(yè)。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主。
激光涂敷:在航空航天、模具及機電行業(yè)應(yīng)用廣泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主。
激光技術(shù)在我國經(jīng)過30多年的發(fā)展,取得了上千項科技成果,許多已用于生產(chǎn)實踐,激光加工設(shè)備產(chǎn)量平均每年以20%的速度增長,為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問題,如激光毛化纖技術(shù)正在寶鋼、本鋼等大型鋼廠推廣,將改變我國汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進(jìn)口的狀態(tài),激光標(biāo)記機與激光焊接機的質(zhì)量、功能、價格符合國內(nèi)目前市場的需求,市場占有率達(dá)90%以上。
存在的主要問題:
首先,科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差,許多有市場前景的成果停留在實驗室的樣機階段。
第二,激光加工系統(tǒng)的核心部件激光器的品種少、技術(shù)落后、可靠性差。國外不僅二級管泵浦的全固態(tài)激光器已用于生產(chǎn)過程中,而且二級管激光器也被應(yīng)用,而我國二極管泵浦的全固態(tài)激光器還處在剛開始研究開發(fā)階段。
第三,對加工技術(shù)的研究少,尤其對精細(xì)加工技術(shù)的研究更為薄弱,對紫外波激光進(jìn)行加工的研究進(jìn)行得極少。
第四,激光加工設(shè)備的可靠性、安全性、可維修性、配套性較差,難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。
目前激光加工技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究開發(fā)的重點可歸納為:
(1)新一代工業(yè)激光器研究,目前處在技術(shù)上的更新時期,其標(biāo)志是二極管泵浦全固態(tài)激光器的發(fā)展及應(yīng)用。
(2)激光微細(xì)加工的應(yīng)用研究。
(3)激光加工用大功率CO2和固體激光器及準(zhǔn)分子激光器的引進(jìn)機型研究,提高國產(chǎn)機水平;同時開發(fā)和研制專用配套的激光加工機床,提高激光器產(chǎn)品在生產(chǎn)線上穩(wěn)定運行的周期,力爭在國內(nèi)建立較全面的加工用激光器的生產(chǎn)基地。
(4)加工系統(tǒng)智能化,系統(tǒng)集成不僅是加工本身,而是帶有實時檢測、反饋處理,隨著專家系統(tǒng)的建立,加工系統(tǒng)智能化已成為必然的發(fā)展趨勢。
(5)建立激光加工設(shè)備參數(shù)的檢測手段,并進(jìn)行方法研究。
(6)激光切割技術(shù)研究。對現(xiàn)有的激光切割系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,提供性能好、價格便宜的2-3軸數(shù)控CO2切割機,并開展相應(yīng)的切割工藝的研究,使該工藝廣泛用于材料加工、汽車、航天及造船等領(lǐng)域。為此應(yīng)著重在激光器外圍裝置,如:導(dǎo)光系統(tǒng)、過程監(jiān)測和控制、噴咀、浮動裝置的設(shè)計和研制以及CAD/CAM等方面開展工作。
(7)激光焊接技術(shù)研究。開展激光焊接工藝及材料、焊接工藝對設(shè)備要求及焊接過程參數(shù)監(jiān)測和控制技術(shù)研究,從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。
(8)激光表面處理技術(shù)研究。開展CAD/CAM技術(shù)、激光表面處理工藝、材料性能及激光表面處理工藝參數(shù)監(jiān)測和控制研究,使激光表面處理工藝能較大幅度地應(yīng)用于生產(chǎn)。
(9)激光加工光束質(zhì)量及加工外圍裝置研究。研究各種激光加工工藝對激光光束的質(zhì)量要求、激光光束和加工質(zhì)量監(jiān)控技術(shù),光學(xué)系統(tǒng)及加工頭設(shè)計和研制。
(10)開展激光加工工藝技術(shù)研究,重點是材料表面改性和熱處理方面的研究和推廣應(yīng)用;開展激光快速成形技術(shù)的應(yīng)用研究,拓寬激光應(yīng)用領(lǐng)域。
2010年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)5萬億美元
21世紀(jì)知識經(jīng)濟占主導(dǎo)地位,大力發(fā)展高新技術(shù)是迎接知識經(jīng)濟時代到來的必然選擇。激光及光電子技術(shù)是當(dāng)今發(fā)展最快,應(yīng)用日趨廣泛的最重要的高新技術(shù),必將成為21世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。科學(xué)界預(yù)測,到2005 年,光子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值水平,到2010年,以光電子信息技術(shù)為主導(dǎo)的信息產(chǎn)業(yè)將形成5萬億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,到 2010年至2015 年,光子產(chǎn)業(yè)可能會取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)。光電子技術(shù)將繼微電子技術(shù)之后再次推動人類科學(xué)技術(shù)的革命和進(jìn)步。
21世紀(jì)的激光技術(shù)與產(chǎn)業(yè)將支撐并推進(jìn)高速、寬帶、海量的光通信以及網(wǎng)絡(luò)通信,并將引發(fā)一場照明技術(shù)革命,小巧、可靠、壽命長、節(jié)能半導(dǎo)體(LED)將主導(dǎo)市場,此外將推出品種繁多的光電子消費類產(chǎn)品 (如VCD、D VD、數(shù)碼相機、新型彩電、掌上電腦電子產(chǎn)品、智能手機、手持音響播放設(shè)備、攝影、投影和成像、辦公自動化光電設(shè)備如激光打印、傳真和復(fù)印等)以及新型的信息顯示技術(shù)產(chǎn)品(如CRT、LCD及PDP、 FED、OEL平板顯示器等 )并進(jìn)入人們的日常生活中。激光產(chǎn)品已成為現(xiàn)代武器的“眼睛”和“神經(jīng)”,光電子軍事裝備將改變21世紀(jì)戰(zhàn)爭的格 局。
經(jīng)過幾十年的努力,我國激光技術(shù)有了較為雄厚的技術(shù)基礎(chǔ),鍛煉培養(yǎng)了一支素質(zhì)較高的隊伍。可以預(yù)計,我國激光科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在21 世紀(jì)必將有更輝煌的發(fā)展。
信息光電子與國際先進(jìn)水平差距縮短
在高技術(shù)的支持下,我國信息光電子取得了重大進(jìn)展:關(guān)鍵技術(shù)量子阱材料和量子阱器件的研制已取得決定性的突破,該項成果被評為1996 年電子十大科技成果之一。摻鉺光纖放大器、量子阱和DFB激光器及高速光收發(fā)模塊、大功率半導(dǎo)體激光器及其泵浦的綠光固體激光器和高亮度紅、橙、黃發(fā)光二極管等一批重大重點課題取得重要成果,已進(jìn)入轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)的新階段。GaN老藍(lán)光、LED和LD、DFB-LD+EA光子集成組件、 GeSi/Si材料和量子點器件,面發(fā)射激光器等致力于技術(shù)創(chuàng)新的課題取得顯著進(jìn)展,有些項目如四方相GaN材料、LED器件及DF B- LD+EA光子集成器件,應(yīng)變量子阱半導(dǎo)體光放大器等達(dá)到國際先進(jìn)水平。這些成果,特別是量子阱技術(shù)的突破給今后的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。
我國在信息光電子領(lǐng)域的高技術(shù)研究開發(fā)方面縮短了與國際水平的差距。同時,在高技術(shù)的支持下,一些院所、公司正在從事將一批光電子科研成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化,如中科院半導(dǎo)體研究所、中科院長春光機所、中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所、武漢郵電科學(xué)研究院、武漢楚天激光集團(tuán)有限公司、華中科技大學(xué)激光技術(shù)國家重點實驗室、激光加工國家研究中心、深圳開發(fā)科技、深圳飛通公司等,它們在產(chǎn)學(xué)研結(jié)合促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力、促進(jìn)科研院所的體制改革向企業(yè)化轉(zhuǎn)軌等關(guān)鍵問題上都邁出了大步。這些科研成果轉(zhuǎn)化基地正在成長為我國信息光電子的產(chǎn)業(yè)群體,其相關(guān)產(chǎn)值和營銷額有較大幅度增長。
摻鉺光纖放大器(EDFA)是高速大容量光纖通信系統(tǒng)必需的關(guān)鍵部件,國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品占國內(nèi)市場40%的份額。我國也是目前國際上少數(shù)幾個有能力研制PIC和OEIC的國家。808nm大功率激光器及其泵浦的固體綠光激 光器、670nm紅光激光器已產(chǎn)品化和商品化并批量占領(lǐng)國際市場。國內(nèi)移動通信的光纖直放站所用的光電器件,90 %使用國產(chǎn)器件,國產(chǎn)1.55 μmDFB激光器戰(zhàn)勝了國外器件,占領(lǐng)了100%的國內(nèi)市場。
隨著IP技術(shù)的發(fā)展,IPoverDWDM的呼聲甚高,給未來寬帶信息通信網(wǎng)的發(fā)展帶來巨大的沖擊,也給眾多中、小型企業(yè)在DWDM大市場上帶來無限商機。這包括有源器件,如符合DWDM系統(tǒng)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)波長的高速DFB 激光器、寬帶及有平坦增益譜的光纖放大器。除了DWDM相關(guān)的元器件的巨大市場需求外,塑料光纖和塑料封裝的激光器及其他低價格的光電子器件和模塊也將有日益增長的需求。
在光顯示和光存儲方面,藍(lán)、綠色LED、LD的發(fā)展迅猛。藍(lán)光LED的市場售價不斷下降,藍(lán)紫光LD( 400nm,5mW,萬小時壽命,5000美元售價)已進(jìn)入市場。藍(lán)綠色發(fā)光器件有十分巨大的應(yīng)用市場,包括大型全 色顯示屏、下一代DVD等,以藍(lán)光LED為基礎(chǔ)的白光“半導(dǎo)體燈”已成為世界上各大照明燈泡公司全力開發(fā)的節(jié)能光源,它的應(yīng)用普及將引起能源領(lǐng)域的一場革命。
有利的條件是在國家有關(guān)部委的支持下,我國的光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已有了堅實的基礎(chǔ)。摻鉺光纖放大器,2. 5Gb/s以下激光收發(fā)模塊,高亮度紅橙黃藍(lán)光LED,大功率半導(dǎo)體激光器及其泵浦的固體激光器,DVD 用的高質(zhì)量的紅光激光器等產(chǎn)品已實實在在進(jìn)入了市場,在性能價格各方面與國外同類產(chǎn)品進(jìn)行競爭,靠自己的力量取得了一席之地。以北京、深圳、武漢、石家莊和長春等五個成果轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)基地為主的光電子企業(yè)群將使我國的信息光電子事業(yè)持續(xù)發(fā)展。因此把握良機、制訂好光電子的發(fā)展規(guī)劃至關(guān)重要。