隨著科學技術的發展和社會需求的多樣化,產品的競爭越來越激烈,更新換代的周期也越來越短。為此,要求不但能根據市場的要求盡快設計出新產品,而且能在盡可能短的時間內制造出原型,從而進行性能測試和修改,最終形成定型產品。而在傳統制造系統中,需要大量的模具設計、制造和調試等工作,成本高,周期長,已不能適應日新月異的市場變化。為了提高研發和生產速度,快速而精確地制作出高質量、低成本的模具和產品,能對市場變化做出敏捷響應,人們作了大量的研究和探索工作。隨著工業激光器價格的不斷下降和工業激光加工技術的日益成熟,給模具制造和產品生產工藝帶來了重大變革。本文首先介紹了工業加工激光器,然后在模具激光制造、模具表面激光強化和替代、模具激光修復、模具激光清洗等幾個方面進行了介紹和分析。
工業加工激光器
目前,用于激光加工的工業激光器主要有兩大類:固體激光器和氣體激光器。其中,固體激光器以Nd:YAG激光器為代表;而氣體激光器則以CO2激光器為代表。隨著激光技術的發展,目前人們也開始在某些加工應用場合使用大功率光纖激光器和大功率半導體激光器。
1) Nd:YAG激光器
Nd:YAG激光器的激光工作物質為固態的Nd:YAG棒,其激光波長為1.06μm。由于該種激光器的激光轉換效率較低,同時受到YAG棒體積和導熱率的限制,其激光輸出平均功率不高。但由于Nd:YAG激光器可以通過Q開關壓縮激光輸出的脈沖寬度,在以脈沖方式工作時可獲得很高的峰值功率(108W),適用于需要高峰值功率的激光加工應用;其另一大優點是可以通過光纖傳輸,避免了復雜傳輸光路的設計制作,在三維加工中非常有用。此外,還可以通過三倍頻技術將激光波長轉換為355nm(紫外),在激光立體造形技術中得到應用。
2) CO2激光器
CO2激光器的激光工作物質為CO2混合氣體,其主要應用的激光波長為10.6μm。由于該種激光器的激光轉換效率較高,同時激光器工作產生的熱量可以通過對流或擴散迅速傳遞到激光增益區之外,其激光輸出平均功率可以做到很高的水平(萬瓦以上),滿足大功率激光加工的要求。
國內外用于激光加工的大功率CO2激光器,主要是橫流、軸流激光器。①橫流激光器:橫流激光器的光束質量不太好,為多模輸出,主要用于熱處理和焊接。我國目前已能生產各種大功率橫流CO2激光器系列,可滿足了國內激光熱處理和焊接的需求。②軸流激光器:軸流激光器的光束質量較好,為基模或準基模輸出,主要用于激光切割和焊接,我國激光切割設備市場主要由國外軸流激光器所占領。盡管國內激光器廠商在國外軸流激光器上做了許多工作,但由于主要配件還需進口,產品價格難以大幅度下降,普及率低。
武漢博萊科技發展有限公司研制了一種旋流CO2激光器,如圖1所示,以新型的旋轉氣體流動方式,使旋流CO2激光器同時具有了軸流CO2激光器光束質量好和橫流CO2激光器造價低、體積小的優點。該種工業加工激光器的推廣應用,將對我國激光加工產業的發展和普及起到積極的促進作用。
圖1.武漢博萊科技發展有限公司
500W旋流CO2激光器
模具激光制造
1) 激光間接成模工藝
?、倭Ⅲw光造形(Stereo Lithography Apparatus,簡稱SLA)工藝是利用紫外激光束逐層掃描光固化膠的方法形成三維實體工件的。1986年美國3D Systems公司推出了商品化樣機SLA-1。SLA工藝的最高加工精度能達到0.05mm。②薄層疊片制造(Laminated Object Manufacturing,簡稱LOM)工藝采用薄片材料,如紙、塑料薄膜等,由美國Helisys公司于1986年研制成功。通過反復CO2激光器切割和材料粘貼,得到分層制造的實體工件。LOM工藝的特點是適合制造大型工件,其精度達到0.1mm。③選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering,簡稱SLS)工藝是利用粉末狀材料成形的,由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的于1989年研制成功,通過用高強度的CO2激光器逐層有選擇地掃描燒結材料粉末而形成三維工件,SLS工藝最大的優點在于選材較為廣泛。
上述三種激光快速成形技術由于發展時間長,技術相對比較成熟,在國內外都得到了較為廣泛的應用。但上述方法形成的三維工件都不能直接作為模具使用,需要進行后續的處理,所以稱之為激光間接成模工藝。主要的處理方法有:①快速成形工件處理后用作模具。LOM制作的紙模經表面處理直接代替砂型鑄造木模;或者用LOM制作的紙模具經表面處理直接用作低熔點合金鑄模、注塑模;或失蠟鑄造中蠟模的成形模。SLS制作的工件經滲銅后,作為金屬模具使用。②用快速成形件作母模澆注硅橡膠、環氧樹脂、聚氨脂等材料制作軟模具。③用快速成形件翻制硬模具。一種是直接用LOM制作紙基模具,經表面金屬電弧噴鍍和拋光后研成金屬模;另一種是金屬面硬背襯模具。上述硬模具可用于砂型鑄造、消失模的壓型制作、注塑模以及簡易非鋼質拉伸模。#p#分頁標題#e#
用上述激光間接成模工藝制作模具,既避開了復雜的機械切削加工,又可以保證模具的精度,還可以大大縮短制模時間、節省制模費用,對于形狀復雜的精度模具,其優點尤為突出。但是,目前還存在著模具壽命相對較短的缺點,所以上述激光間接成形模具較適合于小批量生產。
2) 激光直接成模工藝
選擇性激光熔化(Selective Laser Melting,簡稱SLM)技術是在選擇性激光燒結(SLS)技術的基礎上發展起來的。SLM的特點為:(1)使用高功率密度,小光斑的激光束加工金屬,使得金屬零件具有0.1毫米的尺寸精度;(2)熔化金屬制造出來的零件具有冶金結合的實體,相對密度幾乎能達到100%,大大改善了金屬零件的性能; (3)由于激光光斑直徑很小,因此能以較低的功率熔化高熔點的金屬,使得用單一成分的金屬粉末來制造零件成為可能。圖2所示為德國EOS GmbH公司利用選擇性激光熔化(SLM)工藝制造的全金屬零件。
圖2 德國EOS GmbH公司用選擇性激光熔化
(SLM)工藝制造的全金屬零件
激光多層(或稱三維/立體)熔覆直接快速成形技術是在快速原型技術的基礎上結合同步送料激光熔覆技術所發展起來的一項高新制造技術,其實質是計算機控制下的三維激光熔覆。由于激光熔覆的快速凝固特征,所制造出的金屬零件具有均勻細密的枝晶組織和優良的質量,其密度和性能與常規金屬零件相當。激光多層熔覆發展出了多種方法,其中最具代表性的是美國Sandia國家實驗室(Sandia National Laboratories)研發的稱作激光工程化凈成形技術(Laser Engineered Net Shaping,簡稱LENS)的金屬件快速成形技術。采用該方法已成功制造了不銹鋼,馬氏體時效鋼,鎳基高溫合金,工具鋼,鈦合金,磁性材料以及鎳鋁金屬間化合物工件,零件致密度達到近乎100%。圖3為美國Sandia國家實驗室以LENS技術制造的金屬模具。
圖3 美國Sandia National Laboratories用激光
工程化凈成形工藝(LENS)制造的全金屬模具
選擇性激光熔化(SLM)技術和激光工程化凈成形(LENS)技術由于成形件致密性好,且具有冶金結合組織及精度高,制成的模具壽命長的特點,已得到了工業界和學術界的普遍重視,在國外已推出了多種設備樣機,有的甚至開始商品化了;而國內目前的研究和應用還處于起步階段。
另外,還有一種基于激光精細切割的金屬零件分層制造技術(LOM),具有可快速、低成本制造大型、復雜形狀的模具的特點。日本中川威雄研究室早在80年代就應用金屬薄板LOM技術實現了金屬模具的分層快速制造。經過發展,金屬薄板LOM技術已逐漸應用于諸如汽車等大型內外飾件模具及具有復雜流道注塑模的制造。
模具表面激光改性
模具表面處理一直是機械加工領域中所重視的問題。隨著新技術新工藝的發展,有許多傳統的處理方式已不太適用。對形狀復雜的模具,最理想的表面處理方式是用激光進行,它幾乎不變形,表面硬度比常規處理方式的硬度高,并且更耐磨,使用壽命更長。
1) 激光相變硬化
激光相變硬化又稱激光淬火。由于激光淬火時冷卻速度遠遠超過常規淬火冷卻速度,從而可以獲得極細的馬氏體組織。激光相變硬化的優點為硬度較常規淬火高、變形小、可實現表面薄層和局部淬火,不影響基材的機械性能等。
2) 激光沖擊強化
激光沖擊強化是高功率密度、短脈沖的激光束與物質相互作用產生的強沖擊波來改變材料表面物理及機械性能的技術。在激光沖擊過程中,由于激光誘導產生的沖擊波峰值應力大于材料的動態屈服應力,從而使材料產生密集、均勻以及穩定的位錯結構,使金屬表面發生塑性變形,并形成較深殘余壓應力,從而提高金屬零件的強度、耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命。其主要優點為:沖擊壓力高,強化深度達到傳統的噴丸強化深度4~8倍;能夠加工傳統工藝不能處理的部位,如小槽、小孔以及輪廓線之類;激光沖擊強化后的金屬表面不產生畸變和機械損傷,無熱應力損傷,不會引起相變等。
3) 激光合金化和激光熔覆
激光合金化和激光熔覆是將一層與模具基體成分不同而具有一定性能的材料涂覆在模具基體,同時用高能激光束照射涂覆區域。激光合金化通過調節激光輸出功率使涂覆材料與部分基體一起熔化并發生合金化過程;而激光熔覆是涂覆層在激光作用下與基體表面通過融合迅速結合再一起,它與激光合金化的主要區別在于經激光作用后涂層的化學成分基本不變化,基體的成分基本上不進入涂層內。基于快速凝固新材料合成與制備的激光表面合金化及激光熔覆表面改性新技術,是提高模具材料在高溫下耐磨耐蝕等高溫性能的最有效方法之一。#p#分頁標題#e#
模具激光修復
模具的失效事實上均因其表層局部材料磨損等原因而報廢,而且金屬模具的加工周期長、加工費用高。模具使用壽命取決于抗磨損和抗機械損傷能力,一旦磨損過度或機械損傷,須經修復才能恢復使用。目前常采用的維修技術有電鍍、堆焊和熱噴涂等。電鍍層較薄,而且與基體結合差,形狀損壞部位難于修復;在堆焊、噴涂時,熱量注入大,模具熱影響區大。而應用激光進行模具維修,由于激光束的高能量密度所產生的近似絕熱的快速加熱,對基體的熱影響較小,引起的畸變可以忽略。模具的激光修復可采用的方法主要有兩種:
1) 激光熔覆模具修復
利用激光熔覆的方法實現對模具的修復。用高功率CO2激光束以恒定功率與金屬粉流同時入射到模具表面上,金屬熔化產生熔池,然后快速凝固形成冶金結合的覆層。此方法一般采用大功率CO2激光器作為熱源,適用于體積較大、磨損面積較大的模具修復,以及象鋼鐵軋輥一類的大型工件的修復。
2) 激光沉積焊接模具修復
激光沉積焊接模具修復采用中小功率脈沖Nd:YAG激光器,模具的缺陷用激光束和絲狀填充材料來填補。激光束使焊絲和工件的表面同時熔化,所需沉積物的高度是通過多層焊接的方法來達到的;焊接完畢,模具部件再加工成最終尺寸。此方法適用于體積較小的精密模具。Rofin-Sinar公司制造的StarWeld焊接機是比較具有代表性的此類設備,如圖4所示。
圖4 Rofin-Sinar公司生產的StarWeld激光焊接機
模具激光清洗
應用高能激光脈沖去除模具在使用過程中產生的表面污物是激光技術在模具行業中的又一用途。其清洗機理有兩個:一是直接利用激光加熱污物,使之氣化揮發、或瞬間受熱膨脹并被蒸汽帶離模具基體表面;還有就是在高能量密度、高頻率的脈沖激光作用下,污物層內產生分裂應力,而與模具基體脫離。與傳統的噴沙清洗方法相比,激光清洗具有清洗速度快、不損傷模具表面、在線清洗(可節約大量拆卸、安裝、調試時間)的優點。目前,德國JET激光系統公司生產的激光清洗設備相對較為先進。
結束語
激光的高亮度、高方向性和高單色性使激光束經透鏡聚焦后,能在焦點附近產生數千度乃至上萬度的高溫,這就使其能加工幾乎所有的材料。激光加工在國外各個制造領域和行業已得到了廣泛的應用;而國內也一直在激光加工設備和激光加工工藝兩個方面投入大量的人力物力進行研究和發展。模具是工業產品成型的重要工業裝備之一,在很大程度上決定企業在市場競爭中的應變能力,模具成型已成為現代工業產品重要的手段和工藝發展方向。激光加工應用于模具制造和在某些場合取代模具(如激光切割取代鈑金件中的沖切模具、激光打標取代沖模打標)方面具有很大優勢。如何在實際生產中應用激光加工技術來縮短模具制造周期(T)、保證模具制造質量(Q)和降低模具制造成本(C),需要進行不斷的深入研究和探索。
(今日五金采編)
一、美國激光產業發展現狀
目前尚未見到全面介紹美國激光——光電子產業發展現狀的完整資料,現只能根據有關文獻進行綜述。
1994年美國光電子工業發展協會對1993年世界激光——光電子市場作了統計,總產值為750億美元;美國光電子工業發展協會把顯示器、光存貯、光通訊及硬拷貝稱之為光電子技術產業,并認為這個領域目前是日本占主導地位,在750億美元產值中日本約占50%,因此美國認為當前應注意發展光電子技術產業,使美國在這個領域能占有較大的份額。下面主要介紹美國激光加工和激光醫療方面的發展情況。
根據1996年《工業激光評論》雜志報導,1995年世界范圍銷售的激光加工系統約11億美元,美國占31%、歐州32%、日本35%,其它 2%。在美國比較著名的激光公司有:相干公司、光譜物理公司、聯合工藝(URTC)公司、PRC公司、燃燒工程公司、Lumonics公司、Synrad 公司、M arted Lasers公司、Electrox公司和ESI公司等。相干公司和光譜物理公司是美國最大的兩個激光公司,占美國激光公司總銷售額的40%以上。光譜物理公司的工業激光部的高功率CO2激光器股權已為德國Rofin-Sinar公司所收購,主要生產1.5kW-6kW橫流CO2激光器。聯合工藝公司主要生產5kW-30kW高功率橫流CO2激光器,并且和德國一公司合資在德國制造這類設備;PRC公司主要生產0.5-3.5kW軸快流CO2激光器,現已累計銷售了1000臺高功率CO2激光器;燃燒工程公司生產1kW、5kW和10kW的高功率橫流CO2激光器(以色列MLI公司的專利)。Synrad 公司主要生產200W以下封離型射頻激勵CO2激光器。#p#分頁標題#e#
根據《世界激光集錦》雜志報導,1995年美國激光—光電子生產者委員會成員公司,前半年的訂貨率比1994年同期增長了24%。在金融市場上,1995 年激光公司原始股票的價格達到了有史以來的最高值,使這些公司獲得了巨額的利潤。1996年世界激光器市場的銷售分布狀態也有了變化,美國占55%,歐洲占22%,日本和太平洋地區占23%。
美國是世界上最早建立激光加工站的國家,許多加工站建立于70年代中期,1996年的統計結果表明,美國激光加工站的年收入已逾60-80億美元,在美國激光加工站已超過1765家,這對于在美國推廣激光加工技術起著重要的作用。美國也是最早將高功率激光器引入汽車工業的,例如在美國汽車工業中心——底特律地區就有40余家激光加工站,用于汽車板金件的切割和齒輪的焊接,使汽車改型的周期從5年縮短至2年。美國通用汽車公司已采用22條激光加工生產線;美國輻特汽車公司采用Nd:YAG激光器結合工業機械人焊接轎車車體,極大地降低了制造成本。據報導,到2000年美國三大汽車公司50%的電阻點焊生產線將被激光焊生產線所取代。1995年世界銷售的激光加工系統予計為1950臺,其中美國640臺,占34%。
在激光加工中主要使用CO2激光器和Nd:YAG激光器。在美國CO2激光器58%用于切割、12% 用于焊接、11%用于標記、1%用于熱處理、其它為18%;Nd:YAG激光器24%用于焊接,39%用于標記,7%用于切割,18%用于微電子加工, 3%用于打孔,其它9%。
在激光醫療方面,美國處于世界領先地位。激光醫療設備不僅在美國獲得廣泛應用,而且大量出口,美國的激光醫療設備由美國食品藥物管理局(FDA)統一管理,只有經過批準注冊方可使用和生產,這樣就保證了激光醫療設備的產品的質量和可靠性與安全性。據統計,1986年美國醫院進行的 2100萬例手術中已有 250萬例使用CO2激光手術刀,占總手術的12%,美國全國2/3的門診機構已擁有激光醫療設備。在美國新的激光醫療儀器和醫療技術不斷出現,例如,美國每年有20-25萬椎間盤突出病人,其中10-20%可以用激光進行切除;美國有1400萬人希望除去身上的紋身,美國每年診斷有45萬例患者有腎結石,其中1/3用內窺鏡技術或激光碎石術治療,用準分子激光作角膜刻劃來矯正視力已作了2萬多例,1995年已為美國FDA批準使用,預計1996年可能有200-300臺準分子激光器在美國銷售,用于治療近視眼,產值約8000-12000萬美元;1995年又推廣了CO2激光美容手術,特別是去掉皮膚皺紋的手術受到歡迎,這兩項手術的推廣導致1995年醫用激光器的收入增加。這種去掉皮膚皺紋的方法稱為皮膚再光滑激光療法,在美國每次治療的價格從 800美元到4500美元(不包括保險費),由此估算出皮膚再光滑的市場規模可達15億美元,因而吸引了至少8家公司為皮膚饣す飭品ㄍ瞥鯟O2激光系統。據預測第一代軟組織的激光牙科機在九十年代初期銷售可達幾千臺,銷售額0.9億美元,第二代硬組織激光牙科機可能替代大部分的機械牙鉆市場。
二、日本激光產業發展現狀
1994年初日本光電子產業技術振興協會公布了日本激光—光電子產業1992-1993年的產值,這里只介紹1993年的情況。1993年日本光電產業預測產值為37850億日元(若以110日本:1美元計算,則應為344億美元),比1992年的35066億日元增長7.9%。
光電子產業包括光電子設備和光電子元件兩部分,其中光電子設備為28086億日元(約255億元),光電子元件為9764億日元(約89億美元)。
從光電子設備的細目來看,光盤為14897億日元(占53%),光輸入輸出設備8462億日元(30%),光傳輸設備2446億日元(9%),光傳感器1005億日元(4%),激光加工設備420億日元(2%)。
從光電子元件細目來看,顯示元件4787億日元(占49%),發光元件1387日元(包括激光器,占14%),光纖1269億日元(13%),光敏元件(光接近元件)1115億日元(11%),復合光元件572億日元(6%),光傳輸網絡163億日元(2%),太陽能電池157億日元(2%)。
按美國光電子工業發展協會的看法,日本在顯示器、光存儲、光通訊及硬拷貝組成的光電子產業中已超過了美國和歐洲,在世界上占主導地位。從上面的數字也可以看出日本的激光加工設備及醫療設備則占比例極小。在80年代初激光加工設備曾占日本光電產業總產值的37%,后來由于光存儲、光通訊、顯示器及半導體激光器的迅速發展,十多年來已發生了很大的變化。
八十年代初,日本產業界積極采用激光加工,并逐步擴大到焊接、釬焊。統計表明,日本占當今世界上工業用激光設備的30%左右,激光加工是日本重要的基礎制造技術之一。日本現用于材料加工的是大功率二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器,少量準分子激光器也已使用,而新開發的氣體激光器有波長 10.6微米二氧化碳激光器、波長5微米一氧化碳激光器、波長1.3 微米的碘激光器及二極管激勵固體激光器的紫外準分子激光器等?,F在的二氧化碳激光器功率多為500W,而理論上可高達100KW,近期報導已達到 20kW。且其功率越大,效果越好,故日本對二氧化碳激光器開發研究寄以期望。
大功率一氧化碳激光器是日本業創造研究所和三菱重工聯合研制的,89年實現了連續4小時5kW,短時間達7kW振蕩輸出。93年其輸出功率已達到 20kW,它在切割焊接中正嶄露頭角,而高功率的碘激光器是日本產業創造研究和川崎重工一起開發的,1989年實現了近紅外的振蕩,它是化學激光器,特征是振蕩效率極高,5kW一氧化碳激光器、1kW碘激光器裝置已設立在92年4月成立的激光應用工學中心。
此外,弧光燈激勵固體激光器放大都為3kW,因其存在功率增大導致光束發散角偏大和脈沖振蕩重復頻率低的缺點,日本正努力研制半導體激勵YAG激光器來取而代之。據報導,1kW二極管激勵YAG激光器由正由日本國立研究所制成。#p#分頁標題#e#
目前,大功率準分子激光器及其在材料加工中的應用開發研究引起人們極大興趣。它可利用短波長高能光子不產生熱量的分子水平的加工。86年日本通產省工業技術院提出的18家民間企業與3所國制成2kW級Xecl準分子激光設備。
激光加工切割的靈活性、高精度、高速度、高可靠性、高效率等優點,不僅在薄板工業上,而且在金屬、塑料、陶瓷業中也廣為使用。最近5軸或6軸三維激光切割機器人已在日本汽車、機械、電機重工中大顯身手。
同時,激光焊接在日本電子、電機、汽車、車輛零部件,OA機器等小件、大批量生產中得到迅速發展。是本產業界生產線上成功應用激光焊為世界所矚目。如在汽車車體制造中日本大膽采用有坯料時就將薄鋼板實施激光焊接后沖壓成型的新方法(Tailorcd Blank Welding),現已為世界上絕大多數汽車廠家所仿效。
日本以5kW及10kW二氧化碳激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業軋鋼卷材的連接。在薄、中厚板鋼管、高級薄型不銹鋼制造時,與高頻電焊、TIG焊相結合,保證了質量的穩定性。
日本致力于激光超薄板焊接的研究,如板厚100微米以下的箔片,無法熔焊,但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功,顯示了激光焊的廣闊前途。日本引以為自豪的是在世界上首次成功開發了將YAG激光焊用于核反應堆中蒸氣發生器細管的維修,這是日本最大限度地利用YAG激光(波長1.06微米)能以石英光纖遙控傳輸和集周邊設備之大成的尖端技術。隨著今后3kW以上的高功率、高亮度且控制維修性皆佳的YAG激光器和新一代二極管激光激勵大功率固體激光器的誕生,軟硬件的配套,預計這一領域的激光技術還會有新的突破。
據1992年東京大學研究與發展研究所T·Fujioka報道,日本CO<SUB< SUB>激光加工機年銷售額為558 億日元,YAG激光加工機年銷售額為177億日元,總計為735億元日。CO2激光加工機主要應用于切割和打孔(占總臺數的94.8%),焊接(2.8%);而YAG激光加工機主要應用于標記(34.5% ),焊接(27.7%),微調(10%)和切割、打孔(8.9%)。日本生產CO2激光器的廠商有60家,生產CO2激光加工機的主要制造廠商為三菱電氣、松下電氣、Amada和Mazak等公司,占日本激光加工市場70%左右。另外德國Rofin-Sinar激光公司和日本Marubeni及 Nippei Toyama公司合資經營;德國的Trumpf激光技術公司和日本石川島播磨重工合資經營,這表明德國的CO2激光加工機已進入了日本激光加工市場。日本生產YAG激光器的有日本電氣、富士電視、東芝等30家生產廠家。約70-80%的CO2激光器用于切割,約有70%的YAG激光器用于電子工業。另外,據統計,到1995年為止日本已建立了1500家激光加工站。近來年,以每年新建200-300家的速度在遞增。
日本激光醫療始于Ar激光眼底凝固、外科二氧化碳激光刀、內科Nd:YAG激光內窺鏡等迎來了光能熱利用激光醫療第一代。隨著激光技術的進步,激光化學效益治療法誕生,開辟了激光醫療的康莊大道,現今,日本所有醫療領域中都應用了激光。
日本利用Nd:YAG倍頻激光(532nm)的醫用激光器,其基波功率為60W,調諧波功率約20W,通過KTP變換波長,已在醫療上廣泛使用。
Er:YAG激光的2.94微米光較之二氧化碳激光的10.6微米更易被水、Ca、P等所吸收,多用于切開、切除多水份的身體軟組織及骨切開術,性能大大優于二氧化碳激光刀。由于可以光纖傳導,今后,若3微米帶的穩定光功率纖維開發成功,將用于體腔內患部的非切開、切除手術。此外,稀土類元素 Ho:YAG 激光器也已開始使用。
日本利用激光治療癌癥十分積極,主要是Ar激光激勵、閃光燈激勵、準分子激勵的染料激光器。隨著光纖技術的發展,它們是非切開治療體腔內癌的劃時代的新手段,還能治療血管狹窄、閉塞、給心臟外科帶來革命。光纖腹腔鏡已順利走上應用軌道,不動手術的腹腔內疾患激光治療法,對高齡人口結構的日本具有重要的、現實的意義。
準分子的紫外光束有良好的光化學效應,適宜于非熱性切開、切除、并能抑止紅外光束所常見的切立研究所參與的“超尖端加工系統”,就是以準分子激光和離子束為中心工具,其目標是在93年研開部的熱變性和炭化,一部分ArF激光器(角臘在193nm附近有吸收帶)適用于角膜切開,進行眼科近視治療的角膜手術,但能否保持治療效果仍有疑問。ArF激光有優秀的骨切開功能,在整形外科中大有用武之地。日本防衛醫科大學最近在臨床試用準分子激光清除嚴重燒傷(死)皮膚組織,時間短、痛苦少,并能有選擇地控制照射,無紫外線過量而致癌之憂的新技術。
波長780-830nm,功率10-1200mW的GaAlAs激光器用眼科白內障、眼瞼異常治療、外科皮膚肌肉切開、神經科神經纖維伸長抑制、循環系的血流、皮膚溫度控制、減輕疼痛等。不久的將來,半導體激光激勵小型激光器一旦實現,激光醫療應用將會出現飛躍。自由電子激光器將是今后醫療領域的臺柱,是未來醫用激光設備的代表。激光醫療的主要課題是治癌,并為治療艾滋病、疑難怪癥帶來福音。
日本激光醫學研究雖然比較活躍,但是從日本光電子產業技術振興協會1994年初發表的統計數字來看,日本1993年醫用激光裝置的總產值約30億日元,按目前美元對日元的比價不足3000萬美元,在日本光電子設備中所占份額是最小的。
三、德國激光產業發展現狀
在歐洲地區激光產業發展最快的是德國,特別是激光材料加工方面處于世界領先的地位。1986年德國提出了1987-1992年《激光研究與激光技術》資助重點的BMFT資助計劃,在這五年期間實際投資為2億6千2百萬馬克,資助重點與經費分配為:激光器與元件36%,應用技術與系統集成 48.9%,激光測量與激光分析12.2%,其它2.3%;也就是說約72%的經費用于激光材料加工的課題(光源、元件、系統和方法)。承擔課題的有科研集團(FHG、 MPG、GFE)6個科研所,9個大的激光中心,高校研究所中的30個科研組,共約900名科研人員參加。在這期間建立的比較著名的研究所和中心有:夫朗和費激光技術研究所、柏林固體激光研究所、漢諾威激光中心、斯圖加特光束應用研究中心等。#p#分頁標題#e#
根據德國機械制造協會——激光材料加工工作聯盟1994年的統計,用于材料加工的光源(CO2)和YAG激光器)總共生產了1364臺,產值 1.65億馬克,比1993年增長13%;激光器件臺數增長了39%。特別是用于標記和牙科方面的小功率激光器即YAG激光器出現了超比例的增長率。因此德國用于加工技術的激光器,高于以前任何時期。用于材料加工的光源,德國企業(主要是Rofin-sinar激光公司、Trumpf激光技術公司、 Haas固體激光公司、Lambda Physik公司等)幾乎占了世界市場的40%,處于領先地位。與此同進,還簽訂了1544臺激光器的訂貨合同,價值1.77億馬克。1994年激光系統的營業額也蠓鵲腦齔?,完抽W?860個系統的生產額,價值為2.35億馬克,臺數增長率為51%,銷售額增長率為17%。與此同時,還簽訂了937個系統合同,價值2.49億馬克(臺數增長率58%,產值增長率18%),這些合同與1995年預測的生產額接近。
在激光光源方面CO2占42%,Nd:YAG占35%;在激光系統方面CO2激光加工系統占56%,YAG 激光加工系統占40%,CO2激光加工系統Trumpf公司是自行配套,而Rofin-Sinar公司則與格瑞斯海姆有限公司合作配套,已形成 Lascontur系列激光加工機。出口部分的增長表明,在國際上德國企業有強大的競爭能力,德國激光工業目前仍處于上升階段。
在完成1987-1992年BMFT“激光研究與激光技術”資助計劃后,1993年德國又提出了“激光2000”新的資助計劃。
戰略目標是:
* 開創21世紀激光技術領域科學技術基礎。
* 支持革新激光技術,以保持和加強激光器生產與激光工業應用在國際上的競爭能力。
* 消除激光應用中的科學技術障礙。
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