第 10 章 雷射、電火花與非接觸式精密加工革命#
10.2 雷射切割與焊接：用一道光束代替實體刀刃，在金屬與合金上進行毫無應力的精密雕刻#
10.2.1 從 1960 的紅寶石到工業鐳射#
- 1960 年 5 月，Hughes 研究室的 Theodore Maiman 打出第一台紅寶石雷射；
- 工業化很快跟上：1965 年前後西方公司推出釹玻璃（Nd: YAG 前輩）／CO₂ 雷射用於金屬鑽孔（寶石軸承鑽孔是最早商用應用之一）；
- 1970s，CO₂ 雷射（10.6 μm）主導厚金屬切割，YAG 雷射主導精細加工——兩種譜系至今仍是金屬加工主軸。
10.2.2 為什麼「光刃」是工程革命？#
雷射加工的物理優勢可以列成一張表：
| 屬性 | 力學切削 | 雷射 |
|---|---|---|
| 接觸力 | 大（作用力、震動） | 無接觸 |
| 熱影響區 | 有（刀具摩擦生熱＋應力） | 可控極小（精確聚焦） |
| 速度 | 取決於機床 | 光速驅動，掃描即操作 |
| 形狀 | 由刀具輪廓限制 | 任意曲線，軟體驅動 |
| 工具損耗 | 高（刀刃壽命） | 無刀刃損耗 |
焦點（spot size）決定解析度：\(d \approx f \cdot \theta\)（\(\theta\) 為光束發散角）——μm 級焦點可以直接在金屬上「雕刻」。
10.2.3 產業譜系：從寶石打孔到新汽車廠#
- 1960s–70s：寶石／規具打孔、電子元件焊封；
- 1980s–90s：汽車車身焊接線大量改成雷射焊（車身強度同時提升）與大件金屬切片；
- 2000s–：光纖雷射（fiber laser）以電效率高、維護少普及，並成為第 12 章金屬 3D 列印（粉末床熔化）的核心能源。EUV 光刻則以二氧化碳雷射為光源驅動系統的激光供能（11.2）。
10.2.4 前因後果#
- 前因：優光學理論基礎＋微波技術（1954 MASER 先驅）＋國防經費。
- 事件：1960 Maiman 紅寶石雷射 → 1970s CO₂/YAG 工業化。
- 後果：「軟體驅動的工具（無實體刀刃）」首次登場；機加工與光學工程合流，為 3D 列印（12 章）與半導體製造的光學工具化（11 章）搭建光子平台。
下一節：10.3 水刀切割