| 摘要:光子测量加工技术集中了当代尖端科技的最新成果，反映了加工测量技术的最新发展。论述了日本光子测量加工技术的研究现状，包括研究开发的内容、方向、发展、应用前景等。 |
1997年，日本根据工业技术院产业科学研究开发制度制定并启动了“光子测量加工技术”的项目。作为范围型计划该项目属NEDO(新能源产业技术综合开发机构) 所管辖。该项目在研究之前就定下了“光子技术”(参加团体有27家民间企业、7个团体、4所大学、6所国立研究所)的3年计划。在前期主要研究开发激光发振器。 第一个5年期间，分以下6个主题研究开发:①宏观加工技术：②微观加工技术：③在线测量技术：④非破坏性测量技术：⑤高输出完全固体化激光技术：⑥高集光度完全固体化激光技术。 1 光子加工和测量
以往，在机械加工技术中，目的是加工出给定形状、尺寸的零件，使加工件的尺寸和形状越接近预先的设计越好。机械加工涉及到热学、力学变形、刀具与被加工件的相对位置精度等问题。从而，又引出了位置控制技术的问题，此外，还必须进行机构、力学、材料技术、摩擦等学科方面的研究。近代电能、化学能、光能等制造技术的应用得到迅速的发展。但是，起初的加工方法都与过去一样的，只是研究如何提高零件的尺寸精度。因此，加工技术的改进提上了日程。 到了最近，这种利用改变物质状态的加工技术受到了越来越多的关注，这一新型加工技术的基础是要能控制好加工现场的状态。主要有:现场的温度、物质密度、压力等控制。所以，该加工技术，采用何种系统来加工取决于加工现场的状态。这就是所谓的FDPS(Field Dependent Processing (Producion) System)。
图1 光子加工图
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此种加工技术的刀具是光子、电子、化学离子、等离子体等。以光子加工最为特别，因为光子加工无反力，对加工介质没有限制，这是其他加工方法所无法比拟的。因此光子加工作为最好的加工方法是当之无愧的。然而，该技术要有实质性的突破，首先必须研究现场监控技术和开发出便于利用的激光发振器。 光子加工技术适用范围很广，从纳米级的同素体、原子团到百米级的建筑物、桥梁的构造等无一例外。其加工过程参见图1。而且，作为加工刀具的光子发振技术，控制现场不可缺少监控测量手段，对于加工现场的状态变化，无论什么样的介质都有相应的最为合适的方法。如果把激光发振技术、测量系统与现有技术相结合起来，对于实现小型、节能加工技术的开发研究是很有意义的。并且，该加工方法中引用的技术都与激光发振器、测量器械的发展相关。 2 研究开发的内容
光子测量加工技术的构成分6个主题: 2.1 宏观加工技术
用于建筑、大型运输机的普通厚钢铁板材和广泛应用的并被称为“轻型材料”的铝合金板等材料，都有较高的时间、空间分解能。利用此分解能、过程控制技术、以及激光切割和焊接技术开发出高可靠度的激光加工技术。 2.2 微观加工技术
利用高密度能量的激光。开发出对高纯度、均一直径、构造微粒子的控制技术和集积这些超微粒子制造出量子能量级的微小构造体的技术。 2.3 在线测量技术
为把握好加工过程的状态，利用从红外到紫外波长范围的光子开发出测量气体或微粒的成分、浓度以及物体形状、温度的高灵敏度不均匀状态的基本测量技术和系统化技术。首先还得开发大范围内波长的调整、控制技术以及宽带域、高灵敏度的二维检测技术，对加工过程中释放出来的紫外线高灵敏度探测技术和光子波长的控制技术。 2.4 非破坏(组织)测量技术
开发物质表面组成状态的高精度测量技术。它是根据短脉冲与目标物质间的相互作用来测量的。先向物质射出短波光子，再将透过的结果映象化，分析其时间、空间分解能的情况，从而诊断出对象的表面及内部缺陷。 2.5 高输出完全固体化的激光技术
解释并实现小型化、高输出的原理，研究高输出激光二极管的配置技术。研究微小的热应变、高性能的激光材料，从而开发高效LD激光10kW级的固体激光。
图2 开发内容
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2.6 高集光度完全固体化的激光技术
研究激光时间、空间特性、相位、波长特性、光谱特性的控制技术以及高性能的集光元素。从而开发高质量集光束的发生、传输以及在物体上高集光度的完全固体化激光技术。技术开发内容可参见图2所示。 3 研究开发的方向
为使本研究开发的结果具有产业适用性，就必须开发出全新的光子控制技术。并且要求开发出加工中必须的测量系统及工具———激光发振器。 关于激光制造技术的基本技术，还是要充分利用现有的激光发振器和测量系统去研究开发制造工具和测量方法。当新的激光发振器和测量系统研究成功时，要特别研究构造最佳的大型加工系统。 在线测量要求能够测量材料的温度，把握加工现场释放出来的元素、化合物状态。如果要极力减小所用方法对现场影响，就要利用光子技术。因此必须综合研究光子能转换质量的控制、传输、检测技术。 还必须研究能方便地使用于制造过程中的激光发振技术，从而用小型、高效发振获得优质的激光。而且，要与大型制造用标准相吻合。结论是，能满足此要求的激光发振器只有LD激励的完全固体化的激光。开发这种激光必须研究高效率、高输出的电—光转换器(LD)，发振介质材料及状态设计技术，而光子自LD向介质传输是研究的关键问题。 总之，该研究必须分成激光制造技术、激光测量应用技术、激光发振技术三大块，在相互协调的基础上分别研究。而且必须解决如何在加工现场使用这些技术的问题，也就是实用问题。从预算以及效率的角度考虑，各个部分之间要相互协调，并采用集中研究的方式。当然实际操作还要视具体情况而定。 4 对研究开发的展望
高度产业化要求我们进行此项目的研究，也就是对传统制造技术进行总结和反思的时候。 说到新技术就有“新型基础技术”如飞机的发明、真空管到半导体的转变和“原有技术复合化”，如近代的计算机、机械技术、电子控制技术、情报机械两个类型。当然对以上两类型都必须重视。 新型基础技术的发展有待于基础科学的进步，只有科学进步了，才能促进产业技术的成熟，就已有的技术复合化而言，它们都是在各种技术发展成熟的基础上发展起来的。与上述新型技术、已有技术相类比，构造和利用光子制造技术的时机已经成熟。光子制造技术对加工技术的贡献之一就是提出了制造现场控制技术的新概念和构造了全新的加工系统。其中包含了已有技术的复合化，称之为刀具的激光发振器的开发、适用于现场的光子测量应用技术的开发，即“测量与控制”。能提高产品的安全性、可靠性和生产出省资源、节能的全新产品则是该技术给社会带来的另一贡献。因为光子制造技术已经考虑到了诸如批量生产的安全性、可靠性如贸易摩擦、能源大量消耗以及环境污染等问题。它将成为日本技术结构转变的一个基础技术。 5 结束语
“光子技术”和“高级测量分析技术”的先行研究结果得出的结论是:“光子测量集光技术”项目必须先研究开发激光测量应用技术、控制技术和发振技术，从而研究制造技术。对制造技术而言，如果最为实用、快速、具有很好经济效益的激光加工技术一旦成功的话，将对社会产生极大的影响，激光超微粒子加工技术也将得到广泛的应用。而该技术所引用的现场监控技术和产生、控制等离子体的技术也将得到更好的发展。 在测量技术中，必须开发出利用红外线、非接触的方法测量形状、温度的系统：对于非破坏性测量，要让X射线尽可能穿透物体是判断物体表面与内部状态的关键。激光发振器必须尽可能的小型、高效，而且提供免费的维修。开发出高输出(10kW)及高集光性(1kW)的LD 激励完全固体化的激光。 研究的结果:全新激光制造技术和利用微粒子微小机能的制造工具一旦研究成功，就可以提高车辆、桥梁、建筑物等大型构造物的安全可靠性能，无疑会给制造业带来更多的舒适和便利。
2018-05-10
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