[激光]激光技術(shù)的應(yīng)用

一、激光技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)介

所謂激光技術(shù)，就是探索開發(fā)各種產(chǎn)生激光的方法以及探索應(yīng)用激光的這些特性為人類造福的技術(shù)的總稱。

自1960年美國研制成功世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，我國也于1961年研制成功國產(chǎn)首臺(tái)紅寶石激光器以來，激光技術(shù)被認(rèn)為是20世紀(jì)繼量子物理學(xué)、無線電技術(shù)、原子能技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)之后的又一重大科學(xué)技術(shù)新成就。

40多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，激光檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為當(dāng)今新技術(shù)革命的“帶頭技術(shù)”之一。

二、激光技術(shù)應(yīng)用最大領(lǐng)域——激光加工技術(shù)

激光具有高相干性、方向性、高強(qiáng)度的特質(zhì)，很容易獲得很高的光通量密度，將強(qiáng)的激光束聚焦到介質(zhì)上，利用激光束與物質(zhì)相互作用的過程來改變物質(zhì)的性質(zhì)，這就是激光加工。

激光加工技術(shù)隨著光、機(jī)電、材料、計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)逐步發(fā)展成為一項(xiàng)新的加工技術(shù)。激光加工具有加工對(duì)象廣、變形小、精度高、節(jié)省能源、公害小、遠(yuǎn)距離加工、自動(dòng)化加工等顯著優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化、消除污染、減少材料消耗等的作用愈來愈重要。

激光加工技術(shù)是涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門學(xué)科的一門綜合技術(shù)，傳統(tǒng)上看，它的研究范圍一般可分為：

1. 激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)。

2. 激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。

a.激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。

b.激光切割：汽車行業(yè)、計(jì)算機(jī)、電氣機(jī)殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機(jī)件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。

c.激光打標(biāo)：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。圖5是激光打標(biāo)機(jī)的基本原理示意圖以及激光打標(biāo)機(jī)和打標(biāo)樣品圖。

d.激光打孔：激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機(jī)葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準(zhǔn)分子激光器、同位素激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。

e.激光熱處理：在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時(shí)在航空航天、機(jī)床行業(yè)和其它機(jī)械行業(yè)也應(yīng)用廣泛。我國的激光熱處理應(yīng)用遠(yuǎn)比國外廣泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器為主。

f.激光快速成型：將激光加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合而形成。多用于模具和模型行業(yè)。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主。

g. 激光涂敷：在航空航天、模具及機(jī)電行業(yè)應(yīng)用廣泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主。

隨著激光加工技術(shù)的應(yīng)用，激光加工技術(shù)向著更深更廣的方向發(fā)展。目前激光加工技術(shù)主要研究開發(fā)的重點(diǎn)表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1)新一代工業(yè)激光器研究，目前處在技術(shù)上的更新時(shí)期，其標(biāo)志是二極管泵浦全固態(tài)激光器的發(fā)展及應(yīng)用。

(2)激光微細(xì)加工的應(yīng)用研究。

(3)激光加工用大功率CO2和固體激光器及準(zhǔn)分子激光器的機(jī)型研究，開發(fā)和研制專用配套的激光加工機(jī)床，提高激光器產(chǎn)品在生產(chǎn)線上穩(wěn)定運(yùn)行的周期。

(4)加工系統(tǒng)智能化，系統(tǒng)集成不僅是加工本身，而是帶有實(shí)時(shí)檢測(cè)、反饋處理，隨著專家系統(tǒng)的建立，加工系統(tǒng)智能化已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。

(5)建立激光加工設(shè)備參數(shù)的檢測(cè)手段，并進(jìn)行方法研究。

(6)激光切割技術(shù)研究。對(duì)現(xiàn)有的激光切割系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，提供性能好、價(jià)格便宜的2-3軸數(shù)控CO2切割機(jī)，并開展相應(yīng)的切割工藝的研究，使該工藝廣泛用于材料加工、汽車、航天及造船等領(lǐng)域。為此應(yīng)著重在激光器外圍裝置，如：導(dǎo)光系統(tǒng)、過程監(jiān)測(cè)和控制、噴咀、浮動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和研制以及CAD/CAM等方面開展工作。

(7)激光焊接技術(shù)研究。開展激光焊接工藝及材料、焊接工藝對(duì)設(shè)備要求及焊接過程參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)研究，從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。

(8)激光表面處理技術(shù)研究。開展CAD/CAM技術(shù)、激光表面處理工藝、材料性能及激光表面處理工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制研究，使激光表面處理工藝能較大幅度地應(yīng)用于生產(chǎn)。

(9)激光加工光束質(zhì)量及加工外圍裝置研究。研究各種激光加工工藝對(duì)激光光束的質(zhì)量要求、激光光束和加工質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)，光學(xué)系統(tǒng)及加工頭設(shè)計(jì)和研制。

(10)開展激光加工工藝技術(shù)研究，重點(diǎn)是材料表面改性和熱處理方面的研究和推廣應(yīng)用；開展激光快速成形技術(shù)的應(yīng)用研究，拓寬激光應(yīng)用領(lǐng)域。

三、激光技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

21世紀(jì)的激光技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將支撐并推進(jìn)高速、寬帶、海量的光通信以及網(wǎng)絡(luò)通信，并將引發(fā)一場(chǎng)照明技術(shù)革命，小巧、可靠、壽命長、節(jié)能半導(dǎo)體(LED)將主導(dǎo)市場(chǎng)，此外將推出品種繁多的光電子消費(fèi)類產(chǎn)品 (如VCD、DVD、數(shù)碼相機(jī)、新型彩電、掌上電腦電子產(chǎn)品、智能手機(jī)、手持音響播放設(shè)備、攝影、投影和成像、辦公自動(dòng)化光電設(shè)備如激光打印、傳真和復(fù)印等)以及新型的信息顯示技術(shù)產(chǎn)品(如CRT、LCD及PDP、 FED、OEL平板顯示器等 )并進(jìn)入人們的日常生活中。激光產(chǎn)品已成為現(xiàn)代武器的"眼睛"和"神經(jīng)"，光電子軍事裝備將改變21世紀(jì)戰(zhàn)爭(zhēng)的格局。

在未來推動(dòng)光電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的進(jìn)程中，激光技術(shù)與其他技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)合有以下方面：

1. 激光化學(xué)

傳統(tǒng)的化學(xué)過程，一般是把反應(yīng)物混合在一起，然后往往需要加熱(或者還要加壓)。加熱的缺點(diǎn)，在于分子因增加能量而產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)破壞原有的化學(xué)鍵，結(jié)合成新的鍵，而這些不規(guī)則運(yùn)動(dòng)破壞或產(chǎn)生的鍵，會(huì)阻礙預(yù)期的化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。但是如果用激光來指揮化學(xué)反應(yīng)，不僅能克服上述不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，而且還能獲得更大的好處。這是因?yàn)榧す鈹y帶著高度集中而均勻的能量，可精確地打在分子的鍵上，比如利用不同波長的紫外激光，打在硫化氫等分子上，改變兩激光束的相位差，則控制了該分子的斷裂過程。也可利用改變激光脈沖波形的方法，十分精確和有效地把能量打在分子身上， 觸發(fā)某種預(yù)期的反應(yīng)。激光化學(xué)的應(yīng)用非常廣泛。制藥工業(yè)是第一個(gè)得益的領(lǐng)域。應(yīng)用激光化學(xué)技術(shù)，不僅能加速藥物的合成，而又可把不需要的副產(chǎn)品剔在一旁，使得某些藥物變得更安全可靠，價(jià)格也可降低一些。又如，利用激光控制半導(dǎo)體，就可改進(jìn)新的光學(xué)開關(guān)，從而改進(jìn)電腦和通信系統(tǒng)。激光化學(xué)雖然尚處于起步階段，但其前景十分光明。

2. 激光醫(yī)療

激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類：激光診斷與激光治療，前者是以激光作為信息載體，后者則以激光作為能量載體。多年來，激光技術(shù)已成為臨床治療的有效手段，也成為發(fā)展醫(yī)學(xué)診斷的關(guān)鍵技術(shù)。它解決了醫(yī)學(xué)中的許多難題，為醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在，在基礎(chǔ)研究、新技術(shù)開發(fā)以及新設(shè)備研制和生產(chǎn)等諸多方面都保持持續(xù)的、強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。當(dāng)前激光醫(yī)學(xué)的出色應(yīng)用研究主要表現(xiàn)在以下方面：光動(dòng)力療法治癌；激光治療心血管疾??；準(zhǔn)分子激光角膜成形術(shù)；激光治療前列腺良性增生；激光美容術(shù)；激光纖維內(nèi)窺鏡手術(shù)；激光腹腔鏡手術(shù)；激光胸腔鏡手術(shù)；激光關(guān)節(jié)鏡手術(shù)；激光碎石術(shù)；激光外科手術(shù)；激光在吻合術(shù)上的應(yīng)用；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應(yīng)用；弱激光療法等。

激光醫(yī)療近期研究重點(diǎn)包括：

(1)研究激光與生物組織間的作用關(guān)系，特別是在諸多有效療法中已獲得重要應(yīng)用的激光與生物組織間的作用關(guān)系；研究不同激光參數(shù)( 包括波長、功率密度、能量密度與運(yùn)轉(zhuǎn)方式等)對(duì)不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關(guān)系，取得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；

(2)研究弱激光的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)及其作用機(jī)制，包括；弱激光與細(xì)胞生物學(xué)現(xiàn)象(基因調(diào)控和細(xì)胞凋亡) 的關(guān)系、弱激光鎮(zhèn)痛的分子生物學(xué)機(jī)制以及弱激光與細(xì)胞免疫(抗菌、抗毒素、抗病毒等)的關(guān)系及其機(jī)制；

(3)深入開展有關(guān)光動(dòng)力療法機(jī)制、激光介入治療、激光心血管成形術(shù)與心肌血管重建機(jī)制的研究，積極開拓其他新的激光醫(yī)療技術(shù)。

(4)對(duì)醫(yī)學(xué)光子技術(shù)中重要的、新穎的光子器件和儀器設(shè)置進(jìn)行開發(fā)性研究，例如：研制醫(yī)用半導(dǎo)體激光系統(tǒng)、角膜成形與血管成形用準(zhǔn)分子激光設(shè)備、激光美容(換皮去皺、植發(fā))設(shè)備或其他新激光設(shè)備，開拓新工作波段的醫(yī)用激光系統(tǒng)以及開發(fā)Ho：YAG及Er：YAG激光手術(shù)刀等。

3. 激光信息

半導(dǎo)體激光器和光纖放大器是光纖通信的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光不僅單色性和相干性好，而且光波頻率比微波頻率又高萬倍，故以激光為傳遞信息的載體，用光纖做信息傳遞線路的光纖通信，不僅通信質(zhì)量好、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上萬倍。一根比頭發(fā)絲還細(xì)的光纖，就可以同時(shí)傳輸上萬路電話或成千路電視節(jié)目，從而使通信真正成為通向千家萬戶的網(wǎng)絡(luò)新時(shí)代。

利用激光技術(shù)對(duì)光進(jìn)行存儲(chǔ)使信息的存儲(chǔ)發(fā)生了革命性的飛躍。一張CD聲頻光盤的記錄密度相當(dāng)于1000萬比特／厘米2，可記錄78分鐘的音樂節(jié)目，比密紋唱片要大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。一張計(jì)算機(jī)用的盤徑為5英寸的CD-ROM，容量可達(dá)650兆比特。一張LD（激光錄像盤），或者近幾年最熱門的VCD（激光視盤，谷稱小影碟），以及繼VCD之后的新一代視盤DVD（數(shù)字視盤），其視像蘊(yùn)含的信號(hào)量比CD又要高千倍，可記錄100分鐘的清晰度很高的影視節(jié)目。CD、VCD和LD不僅已在放像設(shè)備市場(chǎng)占有相當(dāng)大的份額，而且還可以在配有激光驅(qū)動(dòng)器的計(jì)算機(jī)上播放。

此外，激光打印機(jī)、激光傳真機(jī)、激光照排、激光大屏幕彩色電視、光纖有線電視以及大氣激光通訊等均已得到廣泛應(yīng)用。

4. 激光全息

光作為一種波動(dòng)現(xiàn)象，表征它的物理量有波長（同顏色有關(guān)）、振幅（同光的強(qiáng)弱有關(guān)）和位相（表示波動(dòng)起點(diǎn)同基準(zhǔn)時(shí)間的關(guān)系）。人們利用感光的照相方法，只能記錄下波長和振幅，所以無論照得多么逼真，看照片和看真的景物總是不一樣。而激光具有高相干性，能獲取干涉波空間包括相位在內(nèi)的全部信息。因此，采用激光進(jìn)行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通過光的衍射，就能復(fù)現(xiàn)被攝取物體栩栩如生的立體形象。時(shí)至今日，在全息照相的基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步發(fā)展了全息干涉術(shù)、彩色全息及彩虹全息和周視全息等新的全息技術(shù)。 ——全息照相具有三維成像的特點(diǎn)，可重復(fù)記錄，而且每一小塊全息底片都能再現(xiàn)物體的完整立體形象，其用途十分廣泛。可廣泛用于精密干涉計(jì)量、無損探傷、全息光彈性、微應(yīng)變分析和振動(dòng)分析等科學(xué)研究。利用全息干涉術(shù)研究燃?xì)馊紵^程、機(jī)械件的振動(dòng)模式、蜂窩板結(jié)構(gòu)的粘結(jié)質(zhì)量和汽車輪胎皮下缺陷檢查等已得到廣泛應(yīng)用。全息照相用作商品和信用卡的防偽標(biāo)記已形成產(chǎn)業(yè)，用全息照相拍攝珍貴藝術(shù)品，不僅欣賞起來令人如臨其境，而且為藝術(shù)品的修復(fù)提供了可靠而逼真的依據(jù)。正在發(fā)展的全息電視還將為人們?cè)鎏硪环N新的生活享受。

5. 超快超強(qiáng)激光

超快超強(qiáng)激光主要以飛秒激光的研究與應(yīng)用為主，作為一種獨(dú)特的科學(xué)研究的工具和手段，飛秒激光的主要應(yīng)用可以概括為三個(gè)方面，即飛秒激光在超快領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用、在超強(qiáng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和在超微細(xì)加工中的應(yīng)用。

飛秒激光在超快現(xiàn)象研究領(lǐng)域中所起到的是一種快速過程診斷的作用。飛秒激光尤如一個(gè)極為精細(xì)的時(shí)鐘和一架超高速的"相機(jī)"可以將自然界中特別是原子、分子水平上的一些快速過程分析、記錄下來。

飛秒激光在超強(qiáng)領(lǐng)域中的應(yīng)用(又稱為強(qiáng)場(chǎng)物理)歸因于具有一定能量的飛秒脈沖的峰值功率和光強(qiáng)可以非常之高。這樣的強(qiáng)光所對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)會(huì)遠(yuǎn)大于原子中的庫侖場(chǎng)，從而很容易地將原子中的電子統(tǒng)統(tǒng)剝落出去。因此，飛秒激光是研究原子，分子體系高階非線性、多光子過程的重要工具。與飛秒激光相應(yīng)的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飛秒強(qiáng)光可以用來產(chǎn)生相干X射線和其它極短波長的光，可以用于受控核聚變的研究。

飛秒激光用于超微細(xì)加工是飛秒激光用于超快現(xiàn)象研究和超強(qiáng)現(xiàn)象研究之外的又一個(gè)飛秒激光技術(shù)的重要的應(yīng)用研究領(lǐng)域。這一應(yīng)用是近幾年才開始發(fā)展起來的，目前已有了不少重要的進(jìn)展。與飛秒超快和飛秒超強(qiáng)研究有所不同的是飛秒激光超微細(xì)加工與先進(jìn)的制造技術(shù)緊密相關(guān)，對(duì)某些關(guān)鍵工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展可以起到更直接的推動(dòng)作用。飛秒激光超微細(xì)加工是當(dāng)今世界激光、光電子行業(yè)中的一個(gè)極為引人注目的前沿研究方向。

6. 新型激光武器

激光測(cè)距儀是激光在軍事上應(yīng)用的起點(diǎn)，將其應(yīng)用到火炮系統(tǒng)，大大提高了火炮射擊精度。激光雷達(dá)相比于無線電雷達(dá)，由于激光發(fā)散角小，方向性好，因此其測(cè)量精度大幅度提高。由于同樣的原因，激光雷達(dá)不存在"盲區(qū)"，因此尤其適宜于對(duì)導(dǎo)彈初始階段的跟蹤測(cè)量。但由于大氣的影響，激光雷達(dá)并不適宜在大范圍內(nèi)搜索，還只能作為無線電雷達(dá)的有力補(bǔ)足。還有精確的激光制導(dǎo)導(dǎo)彈，以及模擬戰(zhàn)場(chǎng)上使用的激光武器技術(shù)運(yùn)用。在激光實(shí)戰(zhàn)演習(xí)的戰(zhàn)場(chǎng)上，酷似實(shí)際戰(zhàn)爭(zhēng)場(chǎng)面。

激光武器的優(yōu)點(diǎn)；無需進(jìn)行彈道計(jì)算；無后坐力；操作簡(jiǎn)便，機(jī)動(dòng)靈活，使用范圍廣；無放射性污染，效費(fèi)比高。

激光武器的分類：不同功率密度，不同輸出波形，不同波長的激光，在與不同目標(biāo)材料相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的殺傷破壞效應(yīng)。激光器的種類繁多，名稱各異。按工作介質(zhì)區(qū)分，目前有固體激光器、液體激光器和分子型、離子型、準(zhǔn)分子型的氣體激光器等。按其發(fā)射位置可分為天基、陸基、艦載、車載和機(jī)載等類型，按其用途還可分為戰(zhàn)術(shù)型和戰(zhàn)略型兩類，即戰(zhàn)術(shù)激光武器和戰(zhàn)略激光武器。

當(dāng)然激光技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這么多，我只列舉了具有代表性的幾種，并且我相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。