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

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。