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行测常识:激光的应用你知道几个?

发布人:老吴公考2019.11.06阅读次数:8072
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激光 (受激辐射光放大) 

激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后,人类的又一重大发现,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。英文名Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,意思是“通过受激辐射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。激光的原理早在 1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现。

原子受激辐射的光,故名“激光”:原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级的时候,所释放的能量以光子的形式放出。被引诱(激发)出来的光子束(激光),其中的光子光学特性高度一致。这使得激光比起普通光源,激光的单色性好,亮度高,方向性好。

激光应用很广泛,有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器、LIF无损检测技术等等。激光系统可分为连续波激光器和脉冲激光器。

光与物质的相互作用,实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子,同时改变自身运动状况的表现。


一、大事年表

1917年:爱因斯坦提出“受激发射”理论,一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。

1953年:美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身:微波受激发射放大(英文首字母缩写maser)。

1957年:Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词,从理论上指出可以用光激发原子,产生一束相干光束,之后人们为其申请了专利,相关法律纠纷维持了近30年。

1960年:美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光。

1961年:激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。

1962年:发明半导体二极管激光器,这是今天小型商用激光器的支柱。

1969年:激光用于遥感勘测,激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器,测得的地月距离误差在几米范围内。

1971年:激光进入艺术世界,用于舞台光影效果,以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。

1974年:第一个超市条形码扫描器出现。

1975年:IBM投放第一台商用激光打印机。

1978年:飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机,不过价格很高。

1982年:第一台紧凑碟片(CD)播放机出现,第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。

1983年:里根总统发表了“星球大战”的演讲,描绘了基于太空的激光武器。

1988年:北美和欧洲间架设了第一根光纤,用光脉冲来传输数据。

1990年:激光用于制造业,包括集成电路和汽车制造。

1991年:第一次用激光治疗近视,海湾战争中第一次用激光制导导弹。

1996年:东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器。

2008年:法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。

2010年:美国国家核安全管理局(NNSA)表示,通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘(质量数2)和氚(质量数3),解决了核聚变的一个关键困难。

2011年3月:研究人员研制的一种牵引波激光器能够移动物体,未来有望能移动太空飞船。

2013年1月:科学家已经成功研制出可用于医学检测的牵引光束。

2014年6月5日:美国航天局利用激光束把一段时长37秒、名为“你好,世界!”的高清视频,只用了3.5秒就成功传回,相当于传输速率达到每秒50兆,而传统技术下载需要至少10分钟。


二、激光的基本特性

定向发光

普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播,需要给光源装上一定的聚光装置,如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜,使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光,天生就是朝一个方向射出,光束的发散度极小,大约只有0.001弧度,接近平行。1962年,人类第一次使用激光照射月球,地球离月球的距离约38万公里,但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好,看似平行的探照灯光柱射向月球,按照其光斑直径将覆盖整个月球。天文学家相信,外星人或许正使用闪烁的激光作为一种宇宙灯塔来尝试与地球进行联系。

亮度极高

在激光发明前,人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高,与太阳的亮度不相上下,而红宝石激光器的激光亮度,能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高,所以能够照亮远距离的物体。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出,能量密度自然极高。

激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的,而且它是人类创造的。

激光的颜色

激光的颜色取决于激光的波长,而波长取决于发出激光的活性物质,即被刺激后能产生激光的那种材料。刺激红宝石就能产生深玫瑰色的激光束,它应用于医学领域,比如用于皮肤病的治疗和外科手术。公认最贵重的气体之一的氩气能够产生蓝绿色的激光束,它有诸多用途,如激光印刷术,在显微眼科手术中也是不可缺少的半导体产生的激光能发出红外光,因此我们的眼睛看不见,但它的能量恰好能"解读"激光唱片,并能用于光纤通讯。但有的激光器可调节输出激光的波长。

激光分离技术

激光分离技术主要指激光切割技术和激光打孔技术。激光分离技术是将能量聚焦到微小的空间,可获得105~1015W/cm2极高的辐照功率密度,利用这一高密度的能量进行非接触、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下,几乎可以对任何材料实现激光切割和打孔。激光切割技术是一种摆脱传统的机械切割、热处理切割之类的全新切割法,具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点激光打孔方法作为在固体材料上加工孔方法之一,已成为一项拥有特定应用的加工技术,主要运用在航空、航天与微电子行业中。

颜色极纯

光的颜色由光的波长(或频率)决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间,对应的颜色从红色到紫色共7种颜色,所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源,它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源,只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一,但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光,单色性很好,被誉为单色性之冠,波长分布的范围仍有0.00001纳米,因此氖灯发出的红光,若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见,光辐射的波长分布区间越窄,单色性越好。

激光器输出的光,波长分布范围非常窄,因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例,其光的波长分布范围可以窄到2×10^-9纳米级别,是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见,激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。

能量极大

光子的能量是用E=hv来计算的,其中h为普朗克常量,v为频率。由此可知,频率越高,能量越高。激光频率范围3.846×10^(14)Hz到7.895×10^(14)Hz。

电磁波谱可大致分为:

(1)无线电波——波长从几千米到0.3米左右,一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波;

(2)微波——波长从0.3米到10^-3米,这些波多用在雷达或其它通讯系统;

(3)红外线——波长从10^-3米到7.8×10^-7米;

(4)可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从780—380nm。

(5)紫外线——波长从3 ×10^-7米到6×10^-10米。

(6)伦琴射线(X射线)—— 这部分电磁波谱,波长从2×10^-9米到6×10^-12米。

(7)伽马射线——是波长从10^-10~10^-14米的电磁波


三、其他特性

激光有很多特性:首先,激光是单色的,或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光,但是这些激光是互相隔离的,使用时也是分开的。其次,激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的,整束光就好像一个“波列”。再次,激光是高度集中的,也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。

激光对组织的生物效应

1、热效应

2、光化学效应

3、压强作用、电磁场效应和生物刺激效应。

压强作用和电磁场效应主要由中等功率以上的激光所产生,光化学效应在低功率激光照射时特别重要,热效应存在于所有的激光照射,而生物刺激作用只发生在弱激光照射时。


四、应用领域

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源,识别物体等的一门技术,传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术,传统上看,它的研究范围一般可分为:

1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统

2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微雕等各种加工工艺。

激光焊接汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。2013年使用的激光器有YAG激光器,CO2激光器和半导体泵浦激光器。

激光切割:汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。

激光笔:又称为激光指示器、指星笔等,是把可见激光设计成便携、手易握、激光模组(二极管)加工成的笔型发射器。常见的激光笔有红光(650-660nm, 635nm)、绿光(515-520nm, 532nm)、蓝光(445-450nm)和蓝紫光(405nm)等,功率通常以毫瓦为单位。通常在会报、教学、导赏人员都会使用它来投映一个光点或一条光线指向物体,但激光会伤害到眼睛,任何情况下都不应该让激光直射眼睛。 [4] 

激光治疗:可以用于手术开刀,减轻痛苦,减少感染。

激光打标:在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用,2013年使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。

激光打孔:激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展,主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由2008年的400w提高到了800w至1000w。国内2013年比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。2013年使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主,也有一些准分激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。

激光热处理:在汽车工业中应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理,同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。2013年使用的激光器多以YAG激光器,CO2激光器为主。

激光快速成型:将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。2013年使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。

激光涂敷:在航空航天、模具及机电行业应用广泛。2013年使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。

激光成像:利用激光束扫描物体,将反射光束反射回来,得到的排布顺序不同而成像。用图像落差来反映所成的像。激光成像具有超视距的探测能力,可用于卫星激光扫描成像,未来用于遥感测绘等科技领域。

医学

激光在医学上的应用主要分三类:激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗,其中激光治疗又分为:激光手术治疗、弱激光生物刺激作用的非手术治疗和激光的光动力治疗。

激光美容

(1)激光在美容界的用途越来越广泛。色素沉着,如太田痣、鲜红斑痣、雀斑、老年斑、毛细血管扩张等,以及去纹身、洗眼线、洗眉、治疗瘢痕等;

(2)激光手术有传统手术无法比拟的优越性。首先激光手术不需要住院治疗,手术切口小,术中不出血,创伤轻,无瘢痕。

(3)激光在血管性皮肤病以及色素沉着的治疗中成效卓越。使用脉冲染料激光治疗鲜红斑痣,疗效显著,对周围组织损伤小,几乎不落疤。

(4)激光外科开创了医学美容的新纪元。它利用高能量,极短脉冲的激光,使老化、损伤的皮肤组织瞬间被汽化,不伤及周围组织,治疗过程中几乎不出血,并可精确的控制作用深度。

激光去除面部黑痣

激光去黑痣的原理就在于将激光在瞬间爆发出的巨大能量置于色素组织中,把色素打碎并分解,使其可以被巨噬细胞吞并掉,而后会随着淋巴循环系统排出体外,由此达到将色素去去掉的目的。

激光去痣可以适用的痣的类型很多,比如包括上面提到的三种色素痣、太田痣、鲜红斑痣等,疗效都很明显,并且不容易留疤,风险性小。用二氧化碳激光亦能去黑痣。

激光治疗近视

提示下情况的患者不适合接受激光治疗:第一. 眼部活动性炎症及病变;第二. 眼周化脓性病灶;第三. 已确诊

的圆锥角膜;第四. 严重干眼症,伴有系统性干燥综合征;第五. 中央角膜厚度低于450μm;第六. 严重的眼附属器病变:眼睑缺损、变形、慢性泪囊炎等;第七. 全身结缔组织病及严重自身免疫性疾病,如系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎、多发性硬化。


五、相对禁忌证

1.超高度近视伴后巩膜葡萄肿者;

2. 初次手术前角膜中央平均曲率低于39D或高于47D应慎重;

3. 暗光下瞳孔直径大于7mm;

4. 对侧眼为法定盲眼;

5. 2年内曾患单纯疱疹性角膜炎;

6. 轻度白内障;

7. 有视网膜脱离及黄斑出血病史;

8. 轻度干眼症;

9. 轻度睑裂闭合不全;

10. 可疑青光眼患者;

11. 月经期及妊娠期;

12. 瘢痕体质;

13. 糖尿病;

14. 感冒发烧等身体不适;

15. 癫痫;

16. 焦虑症、抑郁症以及对手术期望过高者。

1.激光除皱

激光除皱是通过电脑控制的、低能量的二氧化碳激光,能准确地控制汽化皮肤表层的深度,完成分层汽化、无碳化的面部除皱护肤技术。激光用于消除皱纹的技术,是激光技术应用于临床以后,并几经改进、完善与不断更新后的结果。

2.军事

激光武器的分类:不同功率密度,不同输出波形,不同波长的激光,在与不同目标材料相互作用时,会产生不同的杀伤破坏效应。

按工作介质区分,目前有固体激光器、液体激光器和分子型、离子型、准分子型的气体激光器等。

按其发射位置可分为:天基、陆基、舰载、车载和机载等类型,按其用途还可分为战术型和战略型两类。

(1.)战术激光武器

战术激光武器是利用激光作为能量,是像常规武器那样直接杀伤敌方人员、击毁坦克、飞机等,打击距离一般可达20公里。这种武器的主要代表有激光枪和激光炮,它们能够发出很强的激光束来打击敌人。1978年3月,世界上的第一支激光枪在美国诞生。激光枪的样式与普通步枪没有太大区别,主要由四大部分组成:激光器、激励器、击发器和枪托。2013年,国外已有一种红宝石袖珍式激光枪,外形和大小与美国的派克钢笔相当。但它能在距人几米之外烧毁衣服、烧穿皮肉,且无声响,在不知不觉中致人死命,并可在一定的距离内,使火药爆炸,使夜视仪、红外或激光测距仪等光电设备失效。还有7种稍大重量与机枪相仿的小巧激光枪,能击穿铜盔,在1500米的距离上烧伤皮肉、致瞎眼睛等。 战术激光武器的"挖眼术"不但能造成飞机失控、机毁人亡,或使炮手丧失战斗能力,而且由于参战士兵不知对方激光武器会在何时何地出现,常常受到沉重的心理压力。因此,激光武器又具有常规武器所不具备的威慑作用。1982年英阿马岛战争中,英国在航空母舰和各类护卫舰上就安装有激光致盲武器,曾使阿根廷的多架飞机失控、坠毁或误入英军的射击火网。

(2.)战略激光武器

战略激光武器可攻击数千公里之外的洲际导弹;可攻击太空中的侦察卫星和通信卫星等。例如,1975年11月,美国的两颗监视导弹发射井的侦察卫星在飞抵西伯利亚上空时,被前苏联的“反卫星”陆基激光武器击中,并变成“瞎子”。因此,高基高能激光武器是夺取宇宙空间优势的理想武器之一,也是军事大国不惜耗费巨资进行激烈争夺的根本原因。据外刊透露,自70年代以来,美俄两国都分别以多种名义进行了数十次反卫星激光武器的试验。 2013年,反战略导弹激光武器的研制种类有化学激光器、准分子激光器、自由电子激光器和调射线激光器。例如:自由电子激光器具有输出功率大、光束质量好、转换效率高、可调范围宽等优点。但是,自由电子激光器体积庞大,只适宜安装在地面上,供陆基激光武器使用。作战时,强激光束首先射到处于空间高轨道上的中断反射镜。中断反射镜将激光束反射到处于低轨道的作战反射镜,作战反射镜再使激光束瞄准目标,实施攻击。通过这样的两次反射,设置在地面的自由电子激光武器,就可攻击从世界上任何地方发射的战略导弹。 高基高能激光武器是高能激光武器与航天器相结合的产物。当这种激光器沿着空间轨道游弋时,一旦发现对方目标,即可投入战斗。由于它部署在宇宙空间,居高临下,视野广阔,更是如虎添翼。在实际战斗中,可用它对对方的空中目标实施闪电般的攻击,以摧毁对方的侦察卫星、预警卫星、通信卫星、气象卫星,甚至能将对方的洲际导弹摧毁在助推的上升阶段。

(3.)激光动力推进器

既然太阳不足以推动恒星际太空飞船,于是有科学家提出了激光动力推进器技术,利用一束强大的激光让物体飞行。

激光雷达(laser radar)是指用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器,如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等;天线是光学望远镜;接收机采用各种形式的光电探测器,如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式,探测方法分直接探测与外差探测。

3.通信

激光通信,是激光在大气空间传输的一种通信方式。激光大气通信的发送设备主要由激光器(光源)、光调制器、光学发射天线(透镜)等组成;接收设备主要由光学接收天线、光检测器等组成。

信息发送时,先转换成电信号,再由光调制器将其调制在激光器产生的激光束上,经光学天线发射出去。信息接收时,光学接收天线将接收到的光信号聚焦后,送至光检测器恢复成电信号,再还原为信息。大气激光通信的容量大、保密性好,不受电磁干扰。但激光在大气中传输时受雨、雾、雪、霜等影响,衰耗要增大,故一般用于边防、海岛、跨越江河等近距离通信,以及大气层外的卫星间通信和深空通信。

4.激光测速

激光测速是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距,取得在该一时段内被测物体的移动距离,从而得到该被测物体的移动速度。因此,激光测速具有以下几个特点:

1、由于该激光光束基本为射线,估测速距离相对于雷达测速有效距离远,可测1000M外;

2、测速精度高,误差<1公里;

3、鉴于激光测速的原理,激光光束必须要瞄准垂直与激光光束的平面反射点,又由于被测车辆距离太远、且处于移动状态,或者车体平面不大,而导致激光测速成功率低、难度大,特别是执勤警员的工作强度很大、很易疲劳;

4、鉴于激光测速的原理,激光测速器不可能具备在运 动中使用,只能在静止状态下应用;因此,激光测速仪不能称之为“流动电子警察”。在静止状态下使用时,司机很容易发现有检测,因此达不到预期目的;

5、价格昂贵,2013年经过正规途径进口的激光测速仪(不含取景和控制部分)价格至少在一万美金左右。

5.工业

激光在工业上,也应用极为广泛,因为激光在激光束聚焦在材料表面的时候能够使材料熔化,使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。七十年代后,为了改善和提高火焰切割的切口质量,又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。在工业生产中有一定的适用范围。

(1.)激光玻璃

激光玻璃是一种以玻璃为基质的固体激光材料。它广泛应用于各类型固体激光光器中,并成为高功率和高能量激光器的主要激光材料。

激光玻璃由基质玻璃和激活离子两部分组成。激光玻璃各种物理化学性质主要由基质玻璃决定,而它的光谱性质则主要由激活离子决定。但是基质玻璃与激活离子彼此间互相作用,所以激活离子对激光玻璃的物理化学性质有一定的影响,而基质玻璃对它的光谱性质的影响有时还是相当重要的。

(2.)激光冷却

激光冷却(laser cooling)利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。这一重要技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数,用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标(原子钟),后来却成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法。激光冷却有许多应用,如:原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。

(3.)激光光谱

光谱(laser spectra)以激光为光源的光谱技术。与普通光源相比,激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点,是用来研究光与物质的相互作用,从而辨认物质及其所在体系的结构、组成、状态及其变化的理想光源。激光的出现使原有的光谱技术在灵敏度和分辨率方面得到很大的改善。由于已能获得强度极高、脉冲宽度极窄的激光,对多光子过程、非线性光化学过程以及分子被激发后的弛豫过程的观察成为可能,并分别发展成为新的光谱技术。激光光谱学已成为与物理学、化学、生物学及材料科学等密切相关的研究领域。

(4.)激光传感器

激光传感器(laser transducer)利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。激光是最准的尺。

(5.)激光测云仪

利用激光在大气层中的衰减来判断云层。具体的是当激光在大气层中传越时,由于发射的能量与接收的能量之间有能量差,利用能量的衰减度与云层的水分子的含量多少来判断云层结构和距离的仪器。

(6.)核聚变

我国著名物理学家王淦昌院士1964年就提出了激光核聚变的初步理论,从而使我国在这一领域的科研工作走在当时世界各国的前列。1974年,我国采用一路激光驱动聚氘乙烯靶发生核反应,并观察到氘氘反应产生的中子。此外,著名理论物理学家于敏院士在20世纪70年代中期就提出了激光通过入射口、打进重金属外壳包围的空腔、以 X光辐射驱动方式实现激光核聚变的概念。1986年,我国激光核聚变实验装置“神光”研制成功,聂荣臻元帅还专门写信祝贺。

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