激光纳米制造技术
摘要：微制造技术是目前全球关注和研究的重点，激光纳米制造技术是其中的主要核心技术之一。本文介绍了纳米技术和激光加工技术，探讨了激光纳米制造技术的发展方向，希望引起人们对激光纳米制造技术的更多关注和研究。
关键词：纳米技术，微制造技术，激光加工技术
Laser Nano Manufacturing Technologies Abstract: Nano manufacturing technologies attract global attention and research, among which laser nano manufacturing is a key focus. Nano technology and laser processing technology has been introduced in this paper, the development direction of laser manufacturing technology is discussed, the hope for more attention and research of laser nano manufacturing technology. Key words: Nano technology, micro manufacturing technology, laser processing technology
1.引言
微制造技术是20世纪80年代末90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学科领域。它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。微制造产品的广泛应用将会像微电子技术给世界带来的影响那样，引发一场新的技术革命。这是一场高技术的挑战和机遇，可能成为我国赶超世界先进水平、向高技术跃进的一个突破口，而纳米技术和激光加工技术又是微制造技术中的核心。
2.纳米技术
纳米技术通常指纳米级的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。纳米技术和纳米制造技术是21 世纪的重要前沿领域，它将使人们在生产方式和生活方式上有更大的改观。
2.1 纳米制造
纳米制造指所制造对象的特征尺寸至少有一个维度在1~ 100 nm 之间，包括纳米颗粒、纳米线、纳米管等纳米材料的制备，表面纳米结构的制备，以及三维纳米结构/ 器件的制造等。体积更小、功能更强、效率更高、耗材更少、能耗更低的器件和产品是工业界不断追求的目标。特别是随着制造技术从微米尺度向纳米尺度的发展，对100 nm 以下特征尺寸的加工能力提出了越来越高的要求。
纳米制造技术涉及超精密加工技术、精密测量、传感和控制技术，其中纳米级加工技术是其核心，可分为加工精度和加工尺度两个方面。加工精度由本世纪初的最高精度10Lm，发展到现在的20nm、表面粗糙度2～5nm，而用金刚石车床加工的超精密衍射光栅的精度已达到1nm。目前，加工中心的定位精度约为2μm，坐标磨床的定位精度约为1μm; 对于IC 图形制作设备，它的校准和曝光机定位精度约为50nm。实验室可制作10nm 以下的线、柱和沟槽。纳米加工的精度或尺度是近原子尺寸量级的，其加工技术包括:超精密机械加工、光刻加工、能量束加工、扫描探针显微镜加工。
2.2 纳米精度测量
目前，能够实现纳米测量方法主要有：电感电容测微仪、X 射线干涉仪、Febra-perot干涉仪、外差式激光干涉仪、计量型扫描探针显微镜等。在光学纳米干涉测量方法中广泛采用光学倍程技术、干涉条纹电子细分技术和电子倍频技术，这些技术的应用在很大程度上提高了光学干涉仪的测量分辨率，理论上可以实现纳米、亚纳米甚至皮米量级分辨率。但由于测量精度的提高不仅与测量原理有关，在纳米测量技术中，环境温度的不稳定性、仪器本身的温度差异、振动及外界机械干扰都会对测量结果产生重大影响，还需要克服器件制造及安装技术造成的误差环节，其理论与实践之间还存在较大的差距。
3.激光加工技术
激光加工技术是一种高度柔性和智能化的先进加工技术⋯，被誉为“未来的万能加工工具”、“制造技术的共同加工手段”。近年来，由于激光光源性能的提高(如准分子激光和飞秒激光)，微细激光加工技术得到了迅速发展，被广泛应用于各种金属、陶瓷、玻璃及半导体等材料的具有微米尺寸的微型零件或装置的加工中。随着大功率激光器件及配套制造系统的发展，激光加工技术形成了激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火激光微加工等十几种应用工艺。
3.1激光焊接
激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度焊接方法，即将激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料相互作用使材料内部熔化实现焊接。近年来，激光焊接技术不仅广泛应用于碳钢及普通合金钢、不锈钢等，而且在铝合金、镁合金等轻质材料的焊接方面取得了重大突破，为汽车、飞机等结构整体化、轻量化和低成本制造提供了保障。
3.2 激光切割
激光切割是利用聚集的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。激光切割的断面非常光滑，精度可达0.1mm，适合后期焊接，而等离子切割的断面往往需要打磨才能进行焊接。
3.3激光打孔
金属材料被功率密度为106～109W／cm2的激光辐射时会产生熔化或气化，并喷出固态微粒。激光打孔速度快，可获得很大的深径比，可在硬、脆、软等各类材料上进行加工，也可在难加工材料的倾斜面上加工小孔。微细激光打孔的效率高，适合于自动化连续加工，加工的孔径可小于φ10μm，深径比可达50：1以上，并可以加工异型孔。
3.4 激光淬火
激光淬火是采用高能量密度的激光束快速地照射被处理的工件，被照射的区域瞬间吸收光辐射能量，并立即转化成热能，使被照射的金属或合金表面温度以极快的速度升到高于相变点而低于熔化温度，当激光束离开被照射的部位时，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，进而实现工件的表面相变硬化。激光淬火仅对工件局部表面进行，且硬化层可精确控制，因而它是精密的节能热处理技术。激光淬火后，工件变形小，几乎无氧化脱碳现象，表面粗糙度低，可成为工件加工的最后工序。激光淬火的硬度比常规淬火提高15％一20％，可实现自冷淬火，不需要水、油等淬火介质，避免了环境污染，工艺过程易于实现自动化。
3.5 激光微加工
激光微加工技术包括激光热加工和激光化学加工。激光热加工是利用透镜将激光能量聚焦到工件表面的微小区域上，使物质迅速气化而形成微孔或微槽。激光光点直径理论上可达1μm以下，热变形小；由于激光功率密度高，可以加工常规方法难以加工的材料，装置简单，工作性能好。激光化学加工是采用强聚焦的紫外光或可见光激光束，用其穿透稠密的、化学性质活泼的基片表面的气体或液体，有选择地对气体或液体进行激发，使受激发气体或液体与基底进行微观化学反应而达到微细加工的目的。激光可以使用CO2激光、氩离子激光、ND：YAG激光、铜蒸气激光和准分子激光等。该技术主要用来加工微孔、微槽、微管道以及悬臂等微结构。
4.激光纳米制造技术的发展
微制造技术被誉为20 世纪十大关键技术之首。激光纳米制造技术是一个前景广阔但远未成熟的研究领域。目前，由于受到衍射极限的基本限制，常用激光制作小于100 nm 特征尺寸的能力仍显不足。虽然通过近场原理并结合近场扫描光学显微镜以及原子力显微镜等先进工具，可以将特征尺寸降低到所希望的水平，但需要认识到这些先进工具本身也仍处于发展的初期，特别是难以满足对纳米结构和纳米器件的大面积和高效率生产要求。因此，不断突破激光纳米制造的尺度极限，逐步提高加工的可重复性和效率，实现高精度纳米结构的制造以及大尺寸跨尺度结构或构件的制造，仍是激光纳米制造领域存在的主要挑战。
纳米材料所具有的小尺寸效应、表面效应、量子效应以及特殊的光学、磁学、热学、力学、化学性质，使得纳米制造表现出许多完全不同于宏观制造的理论、机理和方法。深入理解激光与材料在纳米尺度范围内相互作用的机理是应用激光纳米制造新原理、新方法的基础，同时也是纳米制造领域面临的需要进一步研究的核心问题。随着对激光与材料的相互作用理解的深入，许多激光与材料相互作用机理的争议将逐步澄清、取得共识。能量的吸收、传递、转化过程将得以较为全面地揭示，对制造中能量过程的掌控将更趋成熟。在此基础上，研究激光纳米制造的新原理、新方法、新技术和新工艺，并进一步研究将激光与控制系统、运动系统、外围保护、安全系统等集成为完整的、功能强大的先进纳米制造系统，实现成套装备的智能、高效、一体化制造，用于制造新产品，甚至形成新的产业，是未来激光纳米制造领域的主要发展趋势。
参考文献
[1] 辛晨光·激光制造技术的应用与展望[J]·现代制造工程·2012·9·130-134
[2]钟敏霖 范培迅·激光纳米制造技术的应用[J]·中国激光·2011·6·1-6
[3]左铁钏 蒋毅坚·微制造技术的回顾与展望[J]·中国机械工程·2000·11·8-10
[4]李莉 齐乐华 徐林峰 杨方·基于材料去除的微制造技术发展[J] ·机械设计与制造·2005·4·88-90
[5]黎永前·光干涉技术在纳米精度测量中的应用及发展[J]·航空精密制造技术·2002·38(2)·32-36
[6]于化东·超精密微机械制造技术研究进展[J]·长春理工大学学报(自然科学版)·2008·38(3)·1-8
[7]车志刚·微制造技术与自主创新[J]·精密制造与自动化·2006·3·36-43
[8]周兆英 叶雄英 崔天宏 张联·微米纳米技术及微型机电系统光学[J]·精密工程1998·6(1)·1-7
[9]施涌潮·纳米技术及其发展[J]·北京机械工业学院学报·1996·11(1) ·90-94
[10]周会娜 林滨 程应科·先进制造技术及其重点发展方向[J]·精密制造与自动化·2006·9·4-12
激光纳米制造技术
摘要：微制造技术是目前全球关注和研究的重点，激光纳米制造技术是其中的主要核心技术之一。本文介绍了纳米技术和激光加工技术，探讨了激光纳米制造技术的发展方向，希望引起人们对激光纳米制造技术的更多关注和研究。
关键词：纳米技术，微制造技术，激光加工技术
Laser Nano Manufacturing Technologies Abstract: Nano manufacturing technologies attract global attention and research, among which laser nano manufacturing is a key focus. Nano technology and laser processing technology has been introduced in this paper, the development direction of laser manufacturing technology is discussed, the hope for more attention and research of laser nano manufacturing technology. Key words: Nano technology, micro manufacturing technology, laser processing technology
1.引言
微制造技术是20世纪80年代末90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学科领域。它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。微制造产品的广泛应用将会像微电子技术给世界带来的影响那样，引发一场新的技术革命。这是一场高技术的挑战和机遇，可能成为我国赶超世界先进水平、向高技术跃进的一个突破口，而纳米技术和激光加工技术又是微制造技术中的核心。
2.纳米技术
纳米技术通常指纳米级的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。纳米技术和纳米制造技术是21 世纪的重要前沿领域，它将使人们在生产方式和生活方式上有更大的改观。
2.1 纳米制造
纳米制造指所制造对象的特征尺寸至少有一个维度在1~ 100 nm 之间，包括纳米颗粒、纳米线、纳米管等纳米材料的制备，表面纳米结构的制备，以及三维纳米结构/ 器件的制造等。体积更小、功能更强、效率更高、耗材更少、能耗更低的器件和产品是工业界不断追求的目标。特别是随着制造技术从微米尺度向纳米尺度的发展，对100 nm 以下特征尺寸的加工能力提出了越来越高的要求。
纳米制造技术涉及超精密加工技术、精密测量、传感和控制技术，其中纳米级加工技术是其核心，可分为加工精度和加工尺度两个方面。加工精度由本世纪初的最高精度10Lm，发展到现在的20nm、表面粗糙度2～5nm，而用金刚石车床加工的超精密衍射光栅的精度已达到1nm。目前，加工中心的定位精度约为2μm，坐标磨床的定位精度约为1μm; 对于IC 图形制作设备，它的校准和曝光机定位精度约为50nm。实验室可制作10nm 以下的线、柱和沟槽。纳米加工的精度或尺度是近原子尺寸量级的，其加工技术包括:超精密机械加工、光刻加工、能量束加工、扫描探针显微镜加工。
2.2 纳米精度测量
目前，能够实现纳米测量方法主要有：电感电容测微仪、X 射线干涉仪、Febra-perot干涉仪、外差式激光干涉仪、计量型扫描探针显微镜等。在光学纳米干涉测量方法中广泛采用光学倍程技术、干涉条纹电子细分技术和电子倍频技术，这些技术的应用在很大程度上提高了光学干涉仪的测量分辨率，理论上可以实现纳米、亚纳米甚至皮米量级分辨率。但由于测量精度的提高不仅与测量原理有关，在纳米测量技术中，环境温度的不稳定性、仪器本身的温度差异、振动及外界机械干扰都会对测量结果产生重大影响，还需要克服器件制造及安装技术造成的误差环节，其理论与实践之间还存在较大的差距。
3.激光加工技术
激光加工技术是一种高度柔性和智能化的先进加工技术⋯，被誉为“未来的万能加工工具”、“制造技术的共同加工手段”。近年来，由于激光光源性能的提高(如准分子激光和飞秒激光)，微细激光加工技术得到了迅速发展，被广泛应用于各种金属、陶瓷、玻璃及半导体等材料的具有微米尺寸的微型零件或装置的加工中。随着大功率激光器件及配套制造系统的发展，激光加工技术形成了激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火激光微加工等十几种应用工艺。
3.1激光焊接
激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度焊接方法，即将激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料相互作用使材料内部熔化实现焊接。近年来，激光焊接技术不仅广泛应用于碳钢及普通合金钢、不锈钢等，而且在铝合金、镁合金等轻质材料的焊接方面取得了重大突破，为汽车、飞机等结构整体化、轻量化和低成本制造提供了保障。
3.2 激光切割
激光切割是利用聚集的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。激光切割的断面非常光滑，精度可达0.1mm，适合后期焊接，而等离子切割的断面往往需要打磨才能进行焊接。
3.3激光打孔
金属材料被功率密度为106～109W／cm2的激光辐射时会产生熔化或气化，并喷出固态微粒。激光打孔速度快，可获得很大的深径比，可在硬、脆、软等各类材料上进行加工，也可在难加工材料的倾斜面上加工小孔。微细激光打孔的效率高，适合于自动化连续加工，加工的孔径可小于φ10μm，深径比可达50：1以上，并可以加工异型孔。
3.4 激光淬火
激光淬火是采用高能量密度的激光束快速地照射被处理的工件，被照射的区域瞬间吸收光辐射能量，并立即转化成热能，使被照射的金属或合金表面温度以极快的速度升到高于相变点而低于熔化温度，当激光束离开被照射的部位时，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，进而实现工件的表面相变硬化。激光淬火仅对工件局部表面进行，且硬化层可精确控制，因而它是精密的节能热处理技术。激光淬火后，工件变形小，几乎无氧化脱碳现象，表面粗糙度低，可成为工件加工的最后工序。激光淬火的硬度比常规淬火提高15％一20％，可实现自冷淬火，不需要水、油等淬火介质，避免了环境污染，工艺过程易于实现自动化。
3.5 激光微加工
激光微加工技术包括激光热加工和激光化学加工。激光热加工是利用透镜将激光能量聚焦到工件表面的微小区域上，使物质迅速气化而形成微孔或微槽。激光光点直径理论上可达1μm以下，热变形小；由于激光功率密度高，可以加工常规方法难以加工的材料，装置简单，工作性能好。激光化学加工是采用强聚焦的紫外光或可见光激光束，用其穿透稠密的、化学性质活泼的基片表面的气体或液体，有选择地对气体或液体进行激发，使受激发气体或液体与基底进行微观化学反应而达到微细加工的目的。激光可以使用CO2激光、氩离子激光、ND：YAG激光、铜蒸气激光和准分子激光等。该技术主要用来加工微孔、微槽、微管道以及悬臂等微结构。
4.激光纳米制造技术的发展
微制造技术被誉为20 世纪十大关键技术之首。激光纳米制造技术是一个前景广阔但远未成熟的研究领域。目前，由于受到衍射极限的基本限制，常用激光制作小于100 nm 特征尺寸的能力仍显不足。虽然通过近场原理并结合近场扫描光学显微镜以及原子力显微镜等先进工具，可以将特征尺寸降低到所希望的水平，但需要认识到这些先进工具本身也仍处于发展的初期，特别是难以满足对纳米结构和纳米器件的大面积和高效率生产要求。因此，不断突破激光纳米制造的尺度极限，逐步提高加工的可重复性和效率，实现高精度纳米结构的制造以及大尺寸跨尺度结构或构件的制造，仍是激光纳米制造领域存在的主要挑战。
纳米材料所具有的小尺寸效应、表面效应、量子效应以及特殊的光学、磁学、热学、力学、化学性质，使得纳米制造表现出许多完全不同于宏观制造的理论、机理和方法。深入理解激光与材料在纳米尺度范围内相互作用的机理是应用激光纳米制造新原理、新方法的基础，同时也是纳米制造领域面临的需要进一步研究的核心问题。随着对激光与材料的相互作用理解的深入，许多激光与材料相互作用机理的争议将逐步澄清、取得共识。能量的吸收、传递、转化过程将得以较为全面地揭示，对制造中能量过程的掌控将更趋成熟。在此基础上，研究激光纳米制造的新原理、新方法、新技术和新工艺，并进一步研究将激光与控制系统、运动系统、外围保护、安全系统等集成为完整的、功能强大的先进纳米制造系统，实现成套装备的智能、高效、一体化制造，用于制造新产品，甚至形成新的产业，是未来激光纳米制造领域的主要发展趋势。
参考文献
[1] 辛晨光·激光制造技术的应用与展望[J]·现代制造工程·2012·9·130-134
[2]钟敏霖 范培迅·激光纳米制造技术的应用[J]·中国激光·2011·6·1-6
[3]左铁钏 蒋毅坚·微制造技术的回顾与展望[J]·中国机械工程·2000·11·8-10
[4]李莉 齐乐华 徐林峰 杨方·基于材料去除的微制造技术发展[J] ·机械设计与制造·2005·4·88-90
[5]黎永前·光干涉技术在纳米精度测量中的应用及发展[J]·航空精密制造技术·2002·38(2)·32-36
[6]于化东·超精密微机械制造技术研究进展[J]·长春理工大学学报(自然科学版)·2008·38(3)·1-8
[7]车志刚·微制造技术与自主创新[J]·精密制造与自动化·2006·3·36-43
[8]周兆英 叶雄英 崔天宏 张联·微米纳米技术及微型机电系统光学[J]·精密工程1998·6(1)·1-7
[9]施涌潮·纳米技术及其发展[J]·北京机械工业学院学报·1996·11(1) ·90-94
[10]周会娜 林滨 程应科·先进制造技术及其重点发展方向[J]·精密制造与自动化·2006·9·4-12