机 械 工 程 学 报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第47卷第21期
2011年11月
Vol.47 No.21 Nov. 2011
DOI ：10.3901/JME.2011.21.157
王国彪
(国家自然科学基金委员会工程与材料科学部 北京 100085)
摘要：光制造是通过光与物质的相互作用，实现材料成形与改性的过程。其典型工具是激光。由于激光在能量、时间、空间方面的可选择范围很宽，可形成超快、超强、超短等极端物理条件，其制造过程所产生的物理化学效应、加工机理有许多不同于传统制造的独特之处，形成以超高加热速度、远离平衡态快速凝固、非接触式等为典型特征的加工方式，由此产生了一批新技术、一批新产品，使一批产品高性 能化，形成了相应的高新技术产业。概述光制造特别是激光制造技术的发展历史、现状与未来发展趋势，提出未来5～10年光制造技术基础研究领域可能存在的研究热点。 关键词：光制造 激光制造 光刻 同步辐射加工 中图分类号：TH16
Photonic Manufacturing Science & Technology ：Overview and Outlook
WANG Guobiao
(Department of Engineering and Material Sciences ，
National Natural Science Foundation of China ，Beijing 100085)
Abstract ：Photonic manufacturing (PM) is a process in which structures are formed and/or materials properties are modified by photon-materials interaction. Lasers are representative tools of PM. Due to the broad ranges of processing windows in terms of power densities ，time scale and space scale of various optical sources ，and the possible formation of some extreme (ultra-powerful ，ultrafast and ultra-short) physical conditions ，PM distinguishes itself from conventional manufacturing technologies in the physical/chemical mechanisms ，and thus creates unique processing methods with superheating ，non-linear ，non-equilibrium ，non-contact characteristics.
PM introduces some novel technologies ，catalyzes some new products ，improves the qualities of some products ，and establishes some high-tech industries. The development milestones ，challenges & future directions of photonic manufacturing are reviewed and the potential research frontiers in the upcoming 5～10 years are discussed.
Key words ：Photonic manufacturing Laser based manufacturing Lithography Synchrotron radiation
0 前言
光制造指通过光与物质的相互作用实现材料成形与改性的过程[1]。这里，光制造特指以“光子”为工具、以材料成形与改性为目标的制造过程。
光制造伴随着光源能量密度、波长、脉冲宽度的进展以及对光与物质相互作用机理的不断深入理解而发展。国家自然科学基金委员会工程与材料科学部编著出版的《机械工程学科发展战略报告(2011～2020)》中，总结了光制造所涉及的光源特
涂布刮刀
20110319收到初稿，20110818收到修改稿
征与制造技术的对应示意图[1]。其中，以波长10 μm 的中红外光、1×10–3～800 nm 的近红外光、50
0 nm 左右的可见光、200～300 nm 的紫外光为主要光源，其对应的激光器在工业应用中所占比重最大、应用最为广泛[1-2]，是光制造的代表工具。激光具有高亮度、高方向性、高单性、高相干性和偏振等特性，在能量、时间、空间方面可选择范围很宽，并可实现精确、协调控制。这些特性总称为激光的多维性特征，它使得激光既可满足宏观尺度、又能实现微米乃至纳米尺度的制造要求，特别适合三维复杂结构的精密制造，为制造科学提供了新的生长点和技术突破点[2-3]。除激光外，光制造还包括其他红外和 机械工程学报第47卷第21期158
紫外光源、同步辐射光源和X射线等其他光源。
光制造涉及物理、化学、机械、材料、信息等众多学科，正在制造领域中发挥着日趋重要的作用。由于学科交叉的复杂性和制造要素的极端性，光制造在原理、机制、特征、技术发展、过程检测控制、质量保证等许多方面存在诸多亟待解决的问题，特别是将这些功能特殊的制造原理应用于工业领域时，掌握其制造过程中的机理和规律显得更加重要。
本文对光制造技术的发展历史、现状进行分析，并预测其未来可能的发展趋势。27.5g bt
1 光制造技术的发展历史与现状
1.1 光刻技术——光制造技术发展史上的第一个腰挂包
里程碑
光刻是最早出现的“光制造”技术。它将照相复制与化学腐蚀相结合，借助紫外光与光刻胶的相互作用，经掩模板造型、化学腐蚀过程最终完成电子线路板的精密制造。光刻技术在20世纪50年代进入实用化阶段后，一直是半导体工业的主流技术，支撑了大规模和超大规模集成电路的快速发展。新一代集成电路的出现，总是以光刻所获得的最小线宽为主要技术标志。
光刻技术分干式刻蚀和浸没式刻蚀两种。图1给出了不同光源波长在干式刻蚀条件下的极限分辨率[4]。光源波长越短，分辨精度越高，但是器件制造的技术难度和成本也相应增高。扩大光学系统数值孔径是进一步提高分辨精度的另一主要途径，近年来，浸没式准分子激光光刻机也由此问世。采用浸没式镜头，193 nm波长的ArF激光器就能实现45 nm和32 nm线宽的刻蚀，使得紫外激光刻蚀逐渐成为IC工业中光刻技术的主流工艺和装备，满足了大规模集成电路集成度不断提高的需求，极大地促进了电子器件向短、小、轻、薄的方向发展。
图1 光源波长与极限分辨率的关系
光刻技术需要与后续的腐蚀过程相结合，实际上是一种间接的制造工艺，限制了其在更广泛工业领域的应用。1.2激光制造——光制造技术发展史上的第二个
里程碑
自1960年梅曼研制出第一台红宝石激光器以来，各种类型的激光器获得了迅猛发展[2,5-7]。当前，激光的波长已从远红外覆盖到深紫外，能量输出方式从连续到飞秒脉冲，连续激光的功率可达50 kW，连续功率密度可在103～107 W/cm2范围调控，脉冲激光的瞬时峰值功率更是高达1022 W/cm2。光源在能量、时间、空间方面如此宽的范围内选择和调控是前所未有的，催生了种类繁多的激光制造技术，可以满足宏观、微观乃至纳米尺度的制造要求，为制造学科提供了全新的生长点和新技术的突破点，成为最为活跃的制造技术领域之一。
经过多年持续的发展，激光制造技术已形成激光宏观制造和激光微纳制造两大技术领域。前者包括激光切割[8-10]、焊接[2,11-13]、熔覆与合金化[14-16]、快速成形制造[2,17-19]、淬火与退火[2]、制孔[20]、精密刻蚀与雕刻[2,19-22]、标记[23]、抛光[24]、清洗[25]、折弯[26]等系列制造工艺，在冶金、机械、造船、航空航天、汽车制造、能源等工业领域得到广泛应用；后者包括激光微/纳刻蚀和直写[27-29]、薄膜沉积[30-31]、激光微/纳熔覆技术[32-33]等，主要应用于航空航天、能源、电子、国防 、汽车、生物、医疗等领域。
一方面，随着激光器功率的逐渐提高，特别是基础和应用研究的不断深入，激光制造新技术不断涌现；另一方面，激光制造技术与设备的应用程度反过来可以推动或制约激光器质量和功率水平的发展。
综观激光制造技术的发展历程，呈现如下特点。
(1) 作为制造工具，激光器(光源)的发展水平对激光制造理论、工艺、装备的影响极大。
20世纪70年代初期，高功率CO2激光器的问世直接促进了激光切割、焊接和热处理技术的发展与应用。特别是激光功率超过千瓦级别之后，激光焊接、切割技术与装备逐渐实现工业化应用。近年来，高功率激光切割机飞速发展，大幅度提高了工业钣金件的制造效率和精度，缩短了制造周期，部分取代了薄板冲压工艺和设备[7-8]；激光拼焊板简化了工艺流程，降低了生产成本，已成为中、高档轿车制造的必备工艺流程，取得了显著的经济和社会效益[34-35]。
光束质量是决定激光制造技术在工业应用领域竞争能力的关键因素之一。横流CO2激光器在20世纪70年代就达到15 kW水平[36]，由于光束质量
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差、电光转换效率偏低等原因，该类激光器主要用于激光表面强化，而没有在切割、焊接等领域得到广泛应用。随后发展的快轴流CO2激光器光束质量好、电光转换效率高，成为焊接、切割设备中的主流机型。20世纪90年代中后期发展起来的板条CO2激光器，采用扩散冷却技术，光束质量好、电光转换效率高、结构简单，数年间就后来居上，成为焊接、切割设备中的主流CO2激光器机型。迄今为止，商品化的板条CO2激光器最高功率为8 kW，但其激光焊接穿透深度、焊接速度却可与15 kW的轴快流CO2激光器媲美，且焊缝熔合比高，能耗低，能够覆盖工业领域中大部分激光切割、焊接的材料厚度范围，市场竞争力更强。
Nd：YAG固体激光器波长短、材料吸收率高、可用光纤传输，多年来在工业界应用广泛。固体激光器经历了灯泵浦、二极管泵浦、盘片状结构三个发展阶段[37]，电光转换效率大幅度提高，光束质量不断改善。目前，商品化盘片状固体激光器最高功率达16 kW，并在工业领域中得到应用[38]。
高功率光纤激光器是工业激光器的一大亮点。它体积小、光束模式好、光光转换和电光转换效率高、维护简单方便，采用光纤合束技术可获得50 kW 甚至更高的输出功率。光纤激光易于和加工机床或机器人配合，可以集成为高性能的激光加工装备，用于金属材料的焊接、切割、制孔、快速制造和激光熔覆、毛化、刻蚀和标刻等工艺，在许多场合取代了传统的加工工艺，发展空间和工业应用前景广阔。
(2) 激光与物质相互作用机理的研究对于激光制造技术与装备的发展是不可或缺的重要环节。
地源热泵系统掌握激光和材料的相互作用机理是发展激光制造新原理、新方法的基础，也是需要深入研究的核心问题。激光束与物质的相互作用程度不仅受到激光功率密度、波长、脉宽、重频、光斑直径、输出方式、激光辐照时间等众多参数的影响，还与被加工物质的熔点、沸点、燃点、热导率、表面状态、组织结构特性、对激光束的吸收特性等众多参数密切相关。因此，针对不同波长、功率密度、脉冲参数和光束质量的激光，研究其与物质的相互作用机理很有意义，可以为不同类型的激光寻合适的加工对象，用于不同的加工目的。例如，功率水平在50～500 W的射频激励CO2激光器，在非金属材料的激光加工中广为应用[39-40]。横流CO2激光器通常输出多模光束，用于切割、焊接存在一定的困难，但用于表面淬火、熔覆与合金化等工艺却可取得理想的效果，在冶金、石化、汽车等重工业领域备受青睐[41]。由于不同波长激光与物质的相互作用原理存在较大差别，各种波长激光器均有其最佳的使用范围。
客流监测系统
建立完整的理论或模型是光制造的公共前沿研究热点，而实际的加工模型必须根据各个工艺条件的特点和具体条件而定。激光与材料相互作用是一个复杂的非线性、非平衡、多尺度的过程，目前尚不存在一个完备的理论模型可以全面描述，已成为进一步深入了解激光制造技术与机理的瓶颈问题。
(3) 超快激光特别是高功率超快激光的发展，为激光微纳制造不断带来突破，同时也为给未来的激光宏观制造领域带来重大变革。
经过调Q的脉冲固体激光束，可直接用于许多固体材料表面的微结构精密刻蚀，而不需借助易感光物质和化学腐蚀过程。紫外、深紫外等短波长激光特别是皮秒、飞秒等超快激光的出现，使激光刻蚀过程从长脉冲时的“热效应”转化为超快激光条件下的“非热效应”[42-45]，且过程极快，热影响区极小[46-47]。因此，激光制造的最小尺度从微米级精确到纳米级，成为纳米制造技术领域的新军[48-51]。同时，千瓦级飞秒激光的出现，可使飞秒激光的应用从激光微纳制造拓展到激光宏观制造，使激光与物质相互作用程度和机理呈现完全不同特点，将来可能使激光切割、铣削、雕刻或刻蚀在加工精度和效率方面产生飞跃，在难加工材料的精密、高速加工方面应用前景广阔[52]。
总之，激光制造技术的应用对象既可以是长达数米甚至数十米，厚度达数十毫米至数米、质量达数十公斤或数十吨的大型金属部件，也可以是尺度在微米、纳米级别的极小尺度零部件和器件。涉及的材料包括金属、陶瓷、高分子、半导体、生物材料等几乎所有固体材料，制造机理包括材料的物理/化学变化及质量迁移机制，固态相变、熔化、蒸发、气化、库仑爆炸、静电烧蚀等[53-55]。通过使物质发生高精度去除、生长、成形、改性等物理、化学过程，激光制造技术的应用领域覆盖几乎整个制造业，使许多传统制造工艺发生了革命性进步，成为先进制造领域中最为活跃的分支之一。
1.3 同步辐射及其他光制造技术
同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，输出从远红外到X光范围内的连续光谱，具有高强度、高度准直、高度极化等特性，是一种可精确控制的优异脉
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冲光源。
同步辐射装置的建造及应用经历了三代的发展。第一代同步辐射光源是在世界各国为高能物理研究建造的储存环和加速器上“寄生”运行的，所产生的光源曾经被认为是阻碍高能粒子能量进一步提高的瓶颈。然而，各领域的科学家却从这个新光源看到巨大的创新机会。为此，建立了为同步辐射的应用研究而专门设计的第二代同步光源。它的发射度由第一代装置的几百纳米·弧度降低到第二代同步光源的50～150 nm·rad。第三代同步辐射光源储存环的发射度缩减为10 nm·rad量级，通过安装大量的插入件(波荡器和扭摆器)，产生准相干的同步辐射光，不但使光谱的耀度再提高了几个数量级，而且可以灵活地选择光子的能量和偏振性[56]。
第三代同步辐射光源的亮度比最亮的第二代光源至少高100倍，比通常实验室用的最好的X光源要亮一亿倍以上，使得同步辐射应用手段扩展到空间分辨和时间分辨阶段，为众多的学科和技术应用领域带来新机遇。2009年4月投入运行的上海光源，能量居世界第四，性能超过同能区现有的第三代同步辐射光源，是目前世界上正在建造或设计的性能最好的中能光源之一。同步辐射X光源主要应用于分析测试领域，LIGA工艺是其在制造领域成功应用的典范[57-59]。近年来，紫外光刻的UV-LIGA 得到发展，能与光学光刻兼容，基本满足常用微细结构加工，在MEMS制造中得到大量应用[60-61]。
利用同步辐射X射线干涉光刻技术，可以开展线宽在数十甚至几个纳米尺度的微纳加工，用于生物自组装技术中的大面积规则结构制造，其刻蚀线宽已缩小到15 nm以下。目前，同步辐射光源的使用成本较高，阻碍了该技术在更加广泛的工业领域中得到应用。随着技术本身的发展、使用成本的降低以及对该技术应用的需求增加，同步辐射制造技术将有良好的未来。
2 激光制造技术的现状与发展趋势
光刻技术主要应用于半导体工艺，而激光制造技术则在制造领域的各个方面得到广泛应用，因此本文以下部分将着重论述激光制造技术的发展现状、趋势及其存在的主要科学问题。
激光制造技术可分为激光宏观制造技术和激光微纳制造技术。由于两者在内涵和应用领域上存在较大的差别，以下分别对其技术特点和发展趋势进行综述，最后总结其基础研究的概况。2.1 激光宏观制造
激光宏观制造包括激光切割、焊接、熔覆与合金化、快速成形制造、淬火与退火、制孔、精密刻蚀与雕刻、标记、抛光、清洗、折弯等众多制造技术，其中以激光切割、激光焊接、激光快速成形、激光表面工程、激光制孔和非金属材料激光加工研究最为广泛。
(1) 激光切割。激光切割是应用最为广泛的激光制造主流技术之一，在过去30年中发展最为迅速。随
着激光器光束质量的不断改善，光学系统、数控技术和直线电动机的不断发展，激光切割在加工速度、效率、割缝质量和精度方面均大幅度提高，应用范围不断扩展。现有激光切割系统主要使用高光束质量CO2激光器。新型高亮度激光器(光纤激光器、盘片激光器)的出现，在光束质量、光束传输方式、功率密度方面都有明显改善，给激光切割技术带来新的发展机遇[2,8]。
在不久的将来，高亮度激光器将全面应用于激光切割领域，使切割精度和效率进一步提高，甚至可望实现零部件无须后续加工的激光精密成品切割。皮秒、飞秒激光有独特的去除过程与机理，切割精度更高，必将在精密仪器、电子制造、生物工程领域不断扩大应用范围，其加工能力将随着激光功率的不断增大而提高。
(2) 激光焊接。激光焊接是目前研究和应用最为活跃的激光制造主流技术之一。针对轻量化、结构功能一体化、低成本及大型装备制造的发展趋势，研究热点集中在铝、镁、钛等轻合金的激光焊接、高强钢的焊接、异种材料激光焊接、激光—电弧复合焊等方面，不断形成焊接新工艺、新技术与新装备。
铝合金激光焊接是最引人关注的方向之一，其中薄板焊接已成功应用于飞机下机身整体壁板及全铝结构轿车车身的制造。铝合金激光焊接过程复杂，焊接过程中的光致等离子体、小孔和熔池动态行为、焊接过程稳定性、不同铝合金材料的激光焊接、焊接缺陷产生的机理及控制方法、焊缝组织及接头强韧性调控原理和技术等是需要深入研究的重点。在异种金属激光焊接方面，激光熔钎焊受到关注。采
漆雾净化器用激光深熔钎焊方法，已实现铜/钢、铝/钛、铝/铜等异种合金的连接[62]。针对不同材料体系，揭示激光熔钎焊接界面接合、金属间化合物和焊接缺陷形成的条件和规律的研究应受重视。激光—电弧复合焊接在厚板焊接方面具有明显的技术优势，近年来取得了不少的研究成果[63-68]。在激光—电弧相互作用机理以及复合热源与母材、焊丝的相互作用机理
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等研究还需要深化，以期更好地控制接头的焊接质量，扩大工业应用范围。
激光焊接过程是一个快速、复杂、多维、多参数的过程。目前，这方面理论研究侧重于等离子体行为、小孔和熔池(焊缝)形成或形状、温度场分布和流场分布、激光焊接工艺参数影响等。激光与其他能场的复合焊接过程与机理，是近年来激光焊接领域中的热点。对于相关科学问题的理解和掌握，是激光复合焊接技术进一步工业应用的核心与关键。
(3) 激光快速成形。基于材料累加的快速原型制造得到快速发展，被美国科学基金会认为是20世纪制造技术的一个重大创新[1]。高分子树脂、金属、陶瓷、生物细胞等各类材料以及液体、气体、粉体、丝材等形式均适用于累加法制造。经过多年发展已经出现了多种快速成形技术与装备，在产品开发、小批量制造、工模具制造乃至人体器官再造等方面发挥了重要作用，给制造学科带来了新课题与挑战。当前，激光快速成形技术的研究热点是金属零部件的直接制造，包括基于自动送粉的金属零部件
直接激光成形技术(Direct laser fabrication，DLF)[2,17]和基于自动铺粉的选区激光熔化技术[18-19]两类技术。前者因为沉积效率高而用于大型金属结构件的制造，后者因为制造精度高而用于薄壁、精密结构件的制造，在生物材料和构件[69]、工模具的直接制造等方面获得越来越多的关注[70]。我国学者在DLF方面取得了重要的研究成果[71-72]。经过二十多年的发展，激光快速制造技术已经在工业中得到日益广泛的应用。当前，金属零部件的激光快速制造技术受到重点关注，其中的关键科学问题包括：合金粉末的凝固结晶和定向生长问题、冶金缺陷的产生机理、成形过程中的变形产生机理及其和热应力、组织应力的关系等。
(4) 激光表面工程。采用激光束使材料表面物理、化学性能发生变化的过程统称为激光表面工程技术，包括激光淬火、熔凝、熔覆、合金化、激光诱导物理气相沉积、激光诱导化学气相沉积、脉冲激光沉积、激光刻蚀微结构、激光冲击强化等。在上述诸多技术中，激光熔覆、激光制备新材料和激光表面织构化是热点方向。我国在激光熔覆、淬火等表面工程技术研究方面在国际上一直处于先进地位。我国学者在原位自生颗粒增强金属基复合材料的机理和形态控制规律、复合材料的性能和应用方面进行了深入的研究[15]。激光熔覆技术未来发展的重点包括：进一步提高激光熔覆效率，实现高效、大面积沉积；激光熔覆复合化学方法制备微纳米结构，采用体积小、效率高的高功率二极管激光器、光纤激光器，发展移动式激光加工设备，实现大型零部件的现场加工与修复，进一步扩大激光熔覆材料的适应范围等。激光熔覆技术的基础科学问题主要包括新型熔覆材料、激光－其他能场复合熔覆时的能量作用等方面。
近年来，激光冲击强化处理也是近年来表面工程领域较为活跃的方向之一，相关研究成果将对一些关键的工业应用领域起到重要作用。
(5) 激光制孔。激光制孔是发展最早的激光制造工艺之一，已在航空航天、机械制造工业中得到广泛的应用。需要解决的技术问题一是如何控制或消除孔壁的重铸层；二是如何控制小孔的直径、锥度和加工精度。采用高峰值功率的皮秒或者飞秒激光是解决这一技术难点的有效途径[73]。
(6) 非金属材料的激光加工。激光辐照改变功能材料物理性质、激光烧结陶瓷、激光生长单晶、激光制备纳米材料、激光对陶瓷、玻璃、单晶及高聚物等非金属材料结构件进行切割、刻蚀、连接等制造加工等都属于非金属材料的激光加工范畴。非金属材料除了在光能吸收、作用及导热机制等共性问题上有别于金属材料外，在显微结构相组成、吸收光子能量的热扩散均匀性等方面也存在显著的差异，相应的激光制造技术成熟度较低，需要解决一些基础科学问题[74]。
2.2激光微纳制造
微纳制造是支撑微纳技术走向应用的基础，是先进制造技术国际竞争的焦点之一，激光微纳制造是其中的重要部分。激光微纳制造通过激光与材料相互作用，改变材料的物态和性质，实现微米至纳米尺度或跨尺度的控形与控性。由于激光在能量密度(可至1022 W/cm2)、作用空间(可短至10–10m)、时间尺度(可短至10–15s)和被加工材料吸收能量的可控尺度(可小至电子层面)等方面都可分别趋于极端，
其制造过程所利用的物理效应、作用机理不同于传统制造，如非线性(多光子等)非平衡(电子间非平衡、电子与晶格间非平衡等)吸收和非热相变(库仑爆炸、静电剥离等)，从而促生新的制造概念、原理、方法和技术，获得前所未有的制造效果，不断刷新制造尺度极限。
(1) 近场纳米制造。该方法基于近场效应，实现小于光学衍射极限的纳米制造。将激光脉冲耦合扫描探针显微镜(Scanning probe microscope，SPM)的纳米探针，利用激光辐射针尖得到的局部加强电磁场进行直写，最小分辨率目前已小于10 nm[75]，远远小于光学衍射极限。采用的SPM包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜和扫描近场光学显微镜等。
