作者：玻色光子公司，顧波

摘要：激光技術徹底改變了工業制造，相較于傳統工藝，在精度、效率和多功能性方面實現了質的飛躍。探討了激光技術的最新進展，重點介紹了其在工業制造中的應用。深入研究了超快激光、增材制造、激光焊接、切割和表面處理等前沿發展。提供了來自汽車、航空航天、電子、醫療及農業等各個行業的真實案例，反映出激光技術的變革性影響。此外，還討論了人工智能驅動的激光系統、綠色和藍光激光，以及混合制造工藝等新興趨勢；展望了激光技術在工業制造中的未來，指出了潛在的挑戰和機遇。

關鍵詞：激光加工；激光焊接；激光增材制造；激光器；激光表面處理；激光混合制造工藝；激光清洗；激光輔助加工

1、序言

激光技術已成為現代工業制造的基石，使曾經被認為不可能的工藝成為可能。自1960年發明激光以來，其應用已擴展到各個領域，這得益于激光源、光束傳輸系統和控制技術的不斷進步。在工業制造中，激光現在是切割、焊接、鉆孔、打標和增材制造等應用中不可或缺的工具。

激光的獨特性質——相干性、單色性和高強度，使其成為精密制造的理想工具。激光可以聚焦到極小的光斑尺寸，從而實現微米級的精度。此外，激光加工的非接觸性質可最大限度地減少機械應力和污染，使其適合完成精細和高精度的任務。

本文旨在全面概述激光技術的最新發展，特別關注其在工業制造中的應用，將探討激光源、光束傳輸系統和過程控制方面的最新進展，以及對各種制造過程的影響。通過來自不同行業的真實案例，來反映激光技術應用的優勢。另外，將討論激光技術的新興趨勢和未來方向，深入了解未來的潛在挑戰和機遇。

2、發展歷程

激光加工技術的發展歷程可以追溯到1960年，當梅曼發明了第一臺紅寶石激光器后，標志著量子光學從理論走向了技術工程。隨后的幾十年里，激光技術經歷了從基礎研究到工業應用的快速轉變。1964年，帕特爾發明了第一臺CO₂激光器；1965年，貝爾實驗室發明了第一臺YAG激光器。這些激光器的出現，為激光加工技術奠定了堅實的基礎。

20世紀70年代初，YAG激光器開始作為微型件切割與焊接的重要光源，并逐步在生產中得到應用。隨著激光器質量的不斷提高和輸出功率的大幅增加，激光加工技術逐漸普及并廣泛應用于電子、鐘表、集成電路等工業領域。80年代，CO₂激光器和YAG激光器的連續運行和脈沖運行方式得以實現，激光的模式也從多模輸出發展到基?；蚪咏］敵?，進一步推動了激光加工技術的普及與應用。

近年來，光纖激光器和超快激光器的發展為激光加工技術帶來了新的突破。光纖激光器具有巨大的輸出功率、良好的光束質量和轉換效率，使激光材料加工更具吸引力。而超快激光器則實現了超微細（亞微米至納米級）加工，并可在透明材料內部進行加工，為激光加工技術開辟了新的應用領域。

激光加工技術涉及多個關鍵技術，包括激光束的產生、傳輸、聚焦，以及與被加工材料的相互作用等。

（1）激光器技術：激光器是激光加工技術的核心部件。目前，常用的激光器按激活介質的種類可以分為固體激光器和氣體激光器。固體激光器（如YAG激光器、光纖激光器）具有結構緊湊、穩定性好、輸出功率高等優點；氣體激光器（如CO₂激光器）則具有波長長、易于聚焦、適用于厚材料加工等特點。

（2）光學系統：光學系統負責將激光器產生的激光束傳輸并聚焦到被加工材料上。這包括透鏡、反射鏡、光闌等光學元件的精確設計和組裝。光學系統的性能直接影響激光加工的精度和效率。

（3）控制系統：控制系統用于實現激光加工過程的自動化和精確控制。這包括激光器的開關控制、加工參數的設定和調整、加工過程的實時監測和反饋等。隨著計算機技術和自動化技術的發展，激光加工控制系統的智能化水平不斷提高。

（4）輔助技術：激光加工過程中還需要一些輔助技術，如氣體保護、冷卻系統、廢料收集等。這些輔助技術對于保證激光加工過程的穩定性和安全性至關重要。

總之，激光加工技術以其高精度、高效率、無污染等優點，在眾多領域得到了廣泛應用。

3、激光技術的最新發展

3.1 超快激光器

超快激光器發射的脈沖范圍為飛秒（10^－15s）至皮秒（10^－12s），已成為工業制造領域的變革者。這些激光器在極短的脈沖中提供極高的峰值功率，能夠以最小的熱影響區進行精確的材料加工。這使其非常適合需要高精度和最小熱損傷的應用場景，例如微加工、表面結構化和醫療器械制造等。

（1）微加工：超快激光器廣泛應用于微加工，其中精度和最小熱損傷至關重要。例如，在電子行業，超快激光器用于在直徑小至10μm的印刷電路板（PCB）上鉆微孔，可增加電路密度并提高電子設備的性能。例如，三星采用飛秒激光切割技術，制造超高精度MicroLED芯片，提高了顯示屏的亮度和耐用性；比亞迪動力電池生產采用超快激光焊接技術，使動力電池內部連接更加緊密，提高了充放電效率，同時避免了傳統焊接工藝導致的微裂紋問題。

（2）表面結構化：使用超快激光進行表面結構化是另一個備受關注的領域。通過精確控制激光參數，可以在材料表面創建微結構和納米結構，從而增強其功能特性。例如，超快激光可在金屬上創建超疏水表面，用于自清潔、防結冰和防腐涂層。

3.2 光纖激光器

光纖激光器因其高效率、高可靠性和緊湊的尺寸而在工業制造中得到廣泛應用。這些激光器使用加入有Er（鉺）、Yb（鐿）或Tm（銩）等稀土元素的光纖作為增益介質，可實現高功率輸出和出色的光束質量。

（1）高功率切割與焊接：光纖激光器廣泛應用于高功率切割與焊接應用。例如，在汽車行業，光纖激光器用于以高精度和高速度切割與焊接高強度鋼部件，可顯著提高車輛的安全性和燃油效率。

（2）增材制造：光纖激光器還廣泛用于增材制造工藝，如選區激光熔化（SLM）和直接金屬沉積（DMD）。這些工藝涉及金屬粉末的逐層沉積，采用高功率激光器使金屬粉末熔化或熔合。光纖激光器提供必要的功率和光束質量，以實現具有復雜幾何形狀的致密、高強度金屬部件。

近年來，大面積3D打?。ˋrea Printing) 正在興起，它或將改變傳統的激光3D打印，進入低成本制造生產。

3.3 半導體激光器

半導體激光器，也稱為二極管激光器，近年來取得了重大進展，特別是在功率輸出和光束質量方面。這些激光器效率高、結構緊湊，適用于廣泛的工業應用。

（1）激光熔覆和表面處理：半導體激光器通常用于激光熔覆和表面處理應用。激光熔覆涉及在基材上沉積保護涂層，以增強其耐磨性、耐蝕性或熱性能。半導體激光器特別適合這種應用，因為其效率高，且能夠在大面積上提供均勻的光束。

（2）激光退火：激光退火是半導體激光器的另一個重要應用，特別是在半導體行業。該過程涉及對材料進行局部加熱以改變其晶體結構，從而改善其電氣性能。半導體激光器用于硅晶片退火，從而能夠生產高性能晶體管和其他電子元件。

3.4 CO₂ 激光器

CO₂激光器使用CO₂、N₂和He的混合氣體作為增益介質，幾十年來一直是工業制造的支柱。盡管近年來CO₂激光器在某種程度上被光纖和二極管激光器所掩蓋，但其在某些應用中仍然發揮著至關重要的作用，尤其是那些涉及非金屬材料的應用。

（1）非金屬材料的切割和雕刻 CO₂激光器廣泛用于切割和雕刻非金屬材料，如塑料、木材、玻璃和陶瓷。在包裝行業，CO₂激光器用于在紙板和塑料包裝材料上切割和雕刻復雜的圖案。

（2） 醫療應用 CO₂激光器還適于各種醫療應用，特別是在外科手術和皮膚病學中。在外科手術中，CO₂激光器用于精確的組織消融，對其周圍組織的損傷最小。在皮膚科，CO₂激光器用于皮膚重修、疤痕去除，以及治療疣和皮膚癌等疾病。

4、激光技術在工業制造中的應用

4.1 激光切割

激光切割是激光技術在工業制造中最廣泛的應用之一。與傳統切割方法相比，它具有多種優勢，包括精度高、速度快以及切割復雜形狀的能力。激光切割技術被廣泛應用于汽車制造、航空航天、金屬加工等行業。

高功率激光器切割在重工業的應用，如馬士基船舶制造使用100kW光纖激光器進行厚鋼板切割，替代傳統等離子切割，可減少切割誤差，提高焊接質量。

（1）汽車工業：在汽車工業中，激光切割用于生產從車身面板到發動機的各種部件。例如，光纖激光器用于高精度切割高強度鋼部件，從而實現汽車的輕量化。激光切割的使用還減少了二次精加工操作的需求，從而節省了成本并提高了生產效率。

特斯拉的Model Y和Model 3生產線廣泛應用激光切割技術，在車身鈑金加工過程中，采用6kW光纖激光切割機，相較傳統沖壓工藝，激光切割減少了材料浪費，提高了切割精度，使車身結構更加輕量化。

（2）航空航天工業：航空航天工業也受益于激光切割技術，特別是在生產由鈦和復合材料等先進材料制成的復雜部件方面。例如，超快激光可用于切割形狀復雜的鈦合金部件，同時最大程度地減少熱損傷，確保部件的結構完整性，顯著提高了航空航天部件的性能和安全性。

空客使用激光切割技術加工碳纖維復合材料（CFRP）機身結構，確保機身組件符合高強度和輕量化的要求。相比傳統機械加工，激光切割避免了材料熱損傷，提高了加工精度和生產效率。

4.2 激光焊接

激光焊接是激光技術在工業制造中的另一個關鍵應用。與傳統焊接方法相比，它具有多種優勢，包括精度高、熱輸入最小以及能夠焊接不同材料。另外，需關注的一個趨勢是，手攜式激光焊接成為了快速成長的應用領域。

美國 IPG 光子公司的超高功率光纖激光器（100kW級別）已成功應用于船舶制造業的厚鋼板切割和焊接，提高了焊接強度，并減少了焊接缺陷。中國銳科激光研制了300kW級別的高功率光纖激光器，應用于鋼鐵加工、船舶制造等領域，大幅提升了工業加工效率。

（1）汽車行業：在汽車行業中，激光焊接用于連接車身面板、發動機部件和其他關鍵部件。例如，光纖激光器用于高精度焊接高強度鋼部件，從而形成堅固耐用的接頭。激光焊接的使用還使生產輕型車輛成為可能，同時提高了燃油效率和安全性。在寶馬（BMW）汽車的自動化生產線上，采用激光拼焊技術，使汽車門板由不同厚度的鋼板焊接而成，優化了車身強度，實現了減重效果。寶馬還采用激光遠程焊接，使車身焊接速度提高80%，同時焊縫質量更加穩定。

近年來，激光焊接成為了新能源汽車電池制造不可缺少的關鍵制造技術。

（2）電子行業：在電子行業中，激光焊接用于高精度連接小而精密的部件。例如，二極管激光器用于焊接鋰離子電池中的電池片，確?？煽康碾姎膺B接。激光焊接的使用還使生產更小、更緊湊的電子設備成為可能。

（3）航空航天工業：波音787夢幻客機采用激光焊接工藝連接鈦合金與復合材料，大幅減少了鉚釘數量，降低了機身重量，提高了燃油效率。

4.3 增材制造

增材制造也稱為3D打印，已被激光技術徹底改變?；诩す獾脑霾闹圃旃に?，例如選區激光熔化和直接金屬沉積，能夠生產具有高精度和高強度的復雜金屬部件。

（1）航空航天工業：在航空航天工業中，基于激光的增材制造被用于生產渦輪葉片和燃油噴嘴等復雜部件。例如，選區激光熔化用于生產具有復雜內部冷卻通道的鈦渦輪葉片，從而提高噴氣發動機的性能和效率。增材制造的使用還減少了材料浪費和交貨時間，從而節省了成本并提高了生產效率。西門子能源公司使用激光增材制造來生產燃氣輪機旋轉器。圖1所示為通用電氣采用激光增材制造生產LEAP航空發動機燃油噴嘴，相較于傳統機械加工，噴嘴的制造時間縮短至原來的1/3，且零部件重量降低了25%。

（2）醫療行業：在醫療行業中，基于激光的增材制造用于生產定制植入物和假肢。例如，選區激光熔化用于生產具有復雜幾何形狀的鈦牙科植入物，以匹配患者的解剖結構。增材制造的使用還能夠生產具有更好生物相容性和性能的患者專用植入物。

（3）汽車制造：法拉利F1賽車的鈦合金部件使用激光增材制造技術制造，提高了零部件的耐熱性和強度，助力賽車優化空氣動力學設計。2024年10月，意大利豪華跑車品牌法拉利正式發布了全新F80超級跑車，這款車型不僅在動力、設計和技術方面實現了顯著提升，更是在制造過程中采用了增材制造技術，標志著汽車制造業的一次重大飛躍。F80超級跑車首次采用增材制造技術生產了主動懸架系統的上叉臂。傳統的上叉臂設計復雜且對重量極為敏感，而增材制造技術則能提供更高的精度和靈活性，如圖2所示。

4.4 激光打標和雕刻

激光打標和雕刻廣泛應用于工業制造，用于產品識別、品牌塑造和可追溯性。與傳統打標方法相比，激光打標具有多種優勢，包括精度高、持久性強以及能夠標記多種材料。蘋果公司采用紫外激光打標技術在iPhone后殼上刻印序列號和Logo，與傳統蝕刻工藝相比，激光打標不會損傷材料表面，標記清晰且耐磨損。

（1）汽車行業：在汽車行業，激光打標用于在零件上標記序列號、條形碼和其他識別信息。例如，光纖激光器用于高精度標記發動機部件，確保整個生產過程的可追溯性。另外，激光打標的使用還提高了庫存管理和質量控制的效率。

（2）電子行業：在電子行業，激光打標用于高精度標記PCB、半導體晶圓和其他部件。例如，超快激光器用于在微芯片上標記識別碼，確保可追溯性和質量控制。另外，激光打標的使用還使生產更小、更緊湊的電子設備成為可能。

4.5 激光表面處理

激光表面處理用于改變材料的表面性能，提高其耐磨性、耐蝕性和熱性能。與傳統的表面處理方法相比，激光表面處理具有多種優勢，包括精度高、熱輸入少，以及能夠處理復雜的幾何形狀。

（1）汽車工業：在汽車工業中，激光表面處理用于提高發動機部件（如活塞和氣缸套）的耐磨性。例如，二極管激光器用于硬化鋼部件的表面，提高其耐用性和力學性能。另外，激光表面處理的使用還減少了二次精加工操作的需要，從而節省了成本并提高了生產效率。

（2）航空航天工業：在航空航天工業中，激光表面處理用于提高由鈦和復合材料等先進材料制成的部件耐蝕性。例如，CO₂激光器用于在渦輪葉片上施加保護涂層，提高其性能和壽命。另外，激光表面處理的使用也使輕量化、高性能的航空航天部件的生產成為可能。

4.6 激光清洗

激光清洗是一種環保、高效的表面處理技術。法國達索航空使用激光清洗技術維護戰斗機機身，去除氧化層和涂層，而不會損傷金屬表面。IPG推出的激光清洗系統被廣泛用于航空航天零部件表面處理，替代傳統化學清洗方式。

5、激光技術的新趨勢

5.1 人工智能驅動的激光系統

人工智能（AI）越來越多地被集成到激光系統中，以增強其性能和能力。人工智能驅動的激光系統可實時優化工藝參數，提高激光加工的質量和效率。

（1）自適應控制：人工智能驅動的自適應控制系統可實時監控和調整激光參數，如功率、脈沖持續時間和光束焦點，確保最佳加工條件。例如，在激光焊接中，人工智能驅動的系統可以檢測和補償材料特性的變化，從而實現一致且高質量的焊接。

（2）預測性維護：人工智能驅動的預測性維護系統可以監控激光系統的健康狀況并在潛在故障發生之前進行預測，這減少了停機時間和維護成本，提高了激光加工操作的整體效率。

5.2 綠光激光器和藍光激光器

綠光激光器和藍光激光器發出可見光譜（分別為約532nm、＜450nm）的光，由于能夠處理傳統紅外激光器難以處理的材料，因此在工業制造中越來越受歡迎。

（1）銅和金加工：綠光激光器和藍光激光器特別適合處理高反射材料，例如銅和金，這些材料難以用紅外激光器加工。例如，綠光激光器和藍光激光器用于焊接電動汽車中的銅部件，可確?？煽康碾姎膺B接。另外，綠光激光器和藍光激光器的使用，還使生產具有改進的熱管理的高性能電子設備成為可能。

（2）醫療應用：綠光激光器適于各種醫療應用，特別是在眼科和皮膚科。例如，綠光激光器用于激光眼科手術，可高精度矯正視力問題。在皮膚科中，綠光激光器用于治療血管病變和色素病變，對其周圍組織的損傷最小。

5.3 激光混合制造工藝

激光混合制造工藝將激光技術與CNC加工、超聲波焊接等其他制造技術相結合，正在成為工業制造領域的一種趨勢。

（1）激光輔助加工（LAM） 將激光加熱與車削和銑削等傳統加工工藝相結合。激光在切削刀具前加熱材料，從而減少切削力并延長刀具壽命。激光輔助加工特別適合加工硬脆材料，如陶瓷和復合材料。

（2）激光輔助增材制造（LAAM） 將基于激光的增材制造與鑄造和鍛造等傳統制造工藝相結合。例如，激光輔助增材制造可用于生產具有復雜幾何形狀的近凈成形組件，然后使用傳統加工工藝進行精加工。這減少了材料浪費和交貨時間，從而節省了成本并提高了生產效率。

6、市場現狀和未來展望

隨著激光源、光束傳輸系統和過程控制的不斷進步，激光技術在工業制造領域的前景一片光明。人工智能驅動的激光系統、綠色激光和混合制造工藝等新興發展趨勢有望進一步增強激光技術的功能和應用。然而，也存在一些需要面臨的挑戰。例如，激光系統的高成本和對熟練操作員的需求可能會成為應用的障礙，特別是對于中小型企業而言。此外，激光加工對環境的影響，特別是在能源消耗和廢物產生方面，需要謹慎管理。盡管存在這些挑戰，但激光技術在工業制造中的潛在優勢是巨大的。隨著激光技術的不斷發展，預計其在各行各業生產高性能、輕量化和可持續產品方面將發揮越來越重要的作用。

1）隨著激光技術的不斷進步和應用領域的不斷拓寬，全球激光加工市場呈現出快速增長的態勢。有數據顯示，至2029年，全球激光技術市場規模將攀升至295億美元。這一增長趨勢主要歸功于激光技術的持續進步，如光纖激光器、半導體激光器和超快激光器的不斷創新，它們在提升效率、性能以及多功能性方面發揮了關鍵作用。

2）亞太地區有望在激光加工市場中占據領先地位，這得益于激光技術在微電子和機床領域的廣泛應用，以及建筑、航空航天和國防等行業對激光系統的日益增長的需求。特別是在打標、雕刻和材料加工等復雜且耗時的操作中，激光技術展現出的顯著優勢更是贏得了眾多行業的青睞。此外，亞洲各國政府為促進制造業發展所推出的扶持政策和措施，也為激光加工市場的繁榮提供了有力支撐。

3）材料加工領域有望成為激光加工市場的引領者。這一細分市場的擴張，主要歸功于各類材料所具備的多功能性以及對環保的日益重視。激光加工技術在金屬、陶瓷、玻璃、復合材料及塑料等多樣化材料的處理上均表現出色，其多功能性深受汽車、電子、航空航天及醫療保健等眾多行業的青睞。相較于傳統加工方法，激光加工不僅材料利用率更高，對環境的影響也更為輕微。在制造業日益注重可持續發展的背景下，激光加工技術正成為行業轉型的首選。

4）機床細分市場在激光加工領域也占據了重要地位，并預計在未來一段時間內持續領跑市場。機床與激光技術的融合，使得精確切割、焊接和雕刻成為可能，這在航空航天、汽車制造及電子設備等行業尤為重要。隨著技術的不斷創新，機床在激光加工市場的競爭力日益增強，越來越多的企業開始考慮采用激光加工方案。而機床制造成本的下降與性能的提升，更是讓激光加工成為一種經濟的選擇。

然而，激光加工市場也面臨一些挑戰。部署成本高是當前面臨的主要問題之一。激光系統的復雜性要求使用專用組件、尖端技術以及嚴格的安全措施，這些都顯著增加了總體成本。同時，為了推進激光技術的研發和確保安全標準，需要大量的投資，這也進一步推高了前期成本。另外，缺乏訓練有素的專業人員也是制約激光加工市場發展的一個因素。熟練勞動力對于操作和維護激光系統至關重要，而培養這樣的專業人員需要時間和資源。

盡管面臨這些挑戰，但激光加工市場的未來發展前景仍然值得期待。隨著科技的不斷進步和應用領域的不斷拓寬，激光加工技術的應用將更加廣泛，市場需求也將持續旺盛。特別是在增材制造、文化遺產保護等尖端領域，激光加工技術的應用日益廣泛，為行業帶來了新的發展機遇。

7、結束語

激光技術已經改變了工業制造，激光源、光束傳輸系統和過程控制方面的最新進展進一步擴展了激光技術的功能和應用。來自汽車、航空航天、電子和醫療設備等各個行業的真實案例反映了激光技術的變革性影響。

人工智能驅動的激光系統、綠色和藍色激光器與混合制造工藝等新興趨勢，有望進一步增強激光技術的功能和應用。然而，要充分發揮激光技術在工業制造中的潛力，需要解決高成本、對熟練操作員的需求和環境影響等挑戰。

隨著激光技術的不斷發展，預計其在各行各業生產高性能、輕量化和可持續產品方面將發揮越來越重要的作用。激光技術在工業制造中的前景光明，持續的進步和創新推動著行業向前發展。（本文發表于《金屬加工（熱加工）》2025年第3期1~6,16頁，參考文獻略。作者：玻色光子公司，顧波）