制造業中的“科技之光”

蘇更林

制造業作為人類的主要生產活動之一，不僅創造了巨量的物質財富，而且也是科技創新的主戰場。光學技術作為人類的重要科技成就，同樣也為制造業的進步做出了巨大貢獻。

激光加工——工業制造的“多面手”

在工業制造領域，激光加工技術備受青睞。激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性，對金屬或非金屬材料進行切割、焊接、打孔、表面處理以及微加工。計算機數控技術與激光加工系統的融合，更使得激光加工技術如虎添翼。

目前比較成熟的激光加工技術包括激光快速成型技術、激光焊接技術、激光打孔技術、激光切割技術、激光打標技術、激光熱處理和表面處理技術等。激光加工技術在汽車、電子、電器、航空、冶金等工業領域應用廣泛，極大地提高了產品質量和勞動生產率，并推動了這些工業領域的技術進步。

早期的激光加工大多局限于微型焊接或打孔。從20世紀70年代開始，隨著大功率激光器的問世，激光加工技術獲得了蓬勃發展。利用激光束進行工業加工，主要是利用了激光光能的熱效應。從激光器輸出的高強度激光經過透鏡聚焦到工件上，其焦點處溫度可達10000℃以上。在這樣的溫度下，任何材料都會在瞬間發生熔化或氣化作用。這就是利用激光進行焊接、打孔和切割等加工的基本原理。

激光焊接適用于相同和不同金屬材料間的焊接，尤其對高熔點、高反射率、高導熱率和物理特性相差大的金屬焊接表現出很好的適應性。激光打孔具有精度高、通用性強、效率高、成本低等優點，已成為現代制造領域的關鍵技術之一。激光切割具有切口寬度窄、熱影響區小、切口光潔度高、切割速度快等特點，并可切割成任意形狀，因此具有很強的適應性。

激光快速成型技術是將激光加工技術與CAD/CAM（計算機輔助設計/制造技術的縮寫）技術等相結合而形成的一項新技術，主要用于模具和模型行業。該技術可根據零件的CAD模型，用激光束將光敏聚合材料逐層進行固化，從而精確堆積成樣件。因此，利用該技術不需要模具和刀具也能快速精確地制造出形狀復雜的零件，這可使許多工業領域的新產品開發變得比較容易。

激光打標的應用領域也十分廣泛。所謂激光打標是指利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使局部表層材料發生變化，從而留下永久性標記。激光打出的字符可大可小，這對產品的防偽具有特殊的意義。近年來發展起來的準分子激光打標，現在已廣泛應用于微電子工業和生物工程。

激光表面處理是應用潛力很大的表面改性技術之一，特別適用于航空、航天、兵器、核工業、汽車制造業中需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零件。激光表面處理的內容很多，主要包括激光退火技術、激光沖擊硬化技術、激光強化電鍍技術、激光上釉技術、激光相變硬化技術、激光包覆技術、激光表面合金化技術等，這些技術對改變材料的機械性能、耐熱性和耐腐蝕性等都具有重要的作用。如激光退火可使多晶硅的電阻率降到普通加熱退火的1/2～1/3， 還可大幅度提高集成電路的集成度。

光刻技術——智能制造業的“巔峰”

1958年，美國科學家基爾比成功地把電子器件集成在一塊半導體材料上，從而制造出集成電路——20世紀最偉大的科技發明之一。現在，人類已能夠把數十億個器件裝在一塊芯片上，制成超大規模集成電路，使得電子設備體積小、重量輕、功耗低、可靠性好。在微芯片集成度飛速發展的背后，光刻技術起到了至關重要的作用，集成電路的斷代史更是以光刻技術所能獲得的線寬作為主要標志。

每一個微芯片的誕生，都需要經過光的“精雕細琢”。要把復雜的電路設計復制到硅片上，離不開光刻機的投影成像。光刻機就像是一臺精密復雜的特殊照相機，是芯片制造中“定義圖形”中最為重要的一種機器。光刻是利用光源發出的光來完成圖形的復制和轉移的。光源的波長越短，光刻的“刀鋒”就越鋒利，所得到的圖形分辨率就越高。同時，光刻機還要求光源系統應具有足夠的能量，因為能量越大，其曝光時間就越短。光刻機還要求曝光能量必須均勻地分布在曝光區。

光刻機是諸多現代技術高度集成的產物，在過去的20多年里經歷了許多次革命，每一次的變革都加速了微芯片的不斷縮小，從而推動著半導體技術遵從摩爾定律而前進。隨著微芯片集成度的提高，開發新型短波長光源光刻機一直是國際上的研究熱點。

光學之眼——為工業產品做“體檢”

對工業生產過程以及產品質量的檢測是一個專業性很強的工作，需要借助各種有效的技術手段。就拿工業無損探傷來說吧，這可是光學技術大顯身手的“舞臺”。

工業管道內窺鏡可完成對人眼無法直接觀察到的場所以及高溫、有毒、有害場所的檢測，并把檢測情況實時地傳遞和記錄下來。管道內窺鏡一般由控制器、升降臺、攝像頭、電纜、爬行器、照明等部分組成。

工業X射線探傷機是一種應用極其廣泛的射線檢測機械。X射線探傷機利用了X射線能穿透物質并在物質中有衰減的特性，以此來發現金屬與非金屬材料及其制品的內部缺陷。焊縫中的氣孔、夾渣以及未焊透等缺陷，都逃不過X射線探傷機的“眼睛”。利用X射線透照攝影的方法，從X射線膠片上可看出零件和焊點的內部缺陷，以此來評定產品的質量。

20世紀初期，光學金相顯微術日趨完善，并廣泛應用于金屬和合金的微觀分析，成為金屬學領域的一項基本檢測技術。金相顯微鏡最初主要作為金屬學研究的必備儀器，用于鑒定和分析金屬內部結構組織，這對于了解冶金過程，分析合金性能，以及進行冶金產品質量控制等都具有重要的作用。現在，金相顯微鏡已成為金屬學、礦物學、精密工程學、電子學等研究的理想儀器。金相顯微鏡主要適用于電子、冶金、化工、儀器、儀表等行業，用于觀察透明、半透明或不透明物體的組織形貌以及晶粒度的變化。

【責任編輯】龐 ?云