[激光]激光技術的應用

一、激光技術應用簡介

所謂激光技術，就是探索開發各種產生激光的方法以及探索應用激光的這些特性為人類造福的技術的總稱。

自1960年美國研制成功世界上第一臺紅寶石激光器，我國也于1961年研制成功國產首臺紅寶石激光器以來，激光技術被認為是20世紀繼量子物理學、無線電技術、原子能技術、半導體技術、電子計算機技術之后的又一重大科學技術新成就。

40多年來，激光技術與應用發展迅猛，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如光電技術，激光醫療與光子生物學，激光加工技術，激光檢測與計量技術，激光全息技術，激光光譜分析技術，非線性光學，超快激光學，激光化學，量子光學，激光雷達，激光制導，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術與新的學科的出現，大大地推動了傳統產業和新興產業的發展，成為當今新技術革命的“帶頭技術”之一。

二、激光技術應用最大領域——激光加工技術

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

激光加工技術隨著光、機電、材料、計算機、控制技術的發展已經逐步發展成為一項新的加工技術。激光加工具有加工對象廣、變形小、精度高、節省能源、公害小、遠距離加工、自動化加工等顯著優點，對提高產品質量和勞動生產率、實現加工過程自動化、消除污染、減少材料消耗等的作用愈來愈重要。

激光加工技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術，傳統上看，它的研究范圍一般可分為：

1. 激光加工系統。包括激光器、導光系統、加工機床、控制系統及檢測系統。

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

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激光器和半導體泵浦激光器。

b.激光切割：汽車行業、計算機、電氣機殼、木刀模業、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以下的電子機件用銅板、一些金屬網板、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：在各種材料和幾乎所有行業均得到廣泛應用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。圖5是激光打標機的基本原理示意圖以及激光打標機和打標樣品圖。

d.激光打孔：激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業。激光打孔的迅速發展，主要體現在打孔用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。國內目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業的生產中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準分子激光器、同位素激光器和半導體泵浦激光器。

e.激光熱處理：在汽車工業中應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業和其它機械行業也應用廣泛。我國的激光熱處理應用遠比國外廣泛得多。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：將激光加工技術和計算機數控技術及柔性制造技術相結合而形成。多用于模具和模型行業。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、模具及機電行業應用廣泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主。

隨著激光加工技術的應用，激光加工技術向著更深更廣的方向發展。目前激光加工技術主要研究開發的重點表現在如下幾個方面：

(1)新一代工業激光器研究，目前處在技術上的更新時期，其標志是二極管泵浦全固態激光器的發展及應用。

(2)激光微細加工的應用研究。

(3)激光加工用大功率CO2和固體激光器及準分子激光器的機型研究，開發和研制專用配套的激光加工機床，提高激光器產品在生產線上穩定運行的周期。

(4)加工系統智能化，系統集成不僅是加工本身，而是帶有實時檢測、反饋處理，隨著專家系統的建立，加工系統智能化已成為必然的發展趨勢。

(5)建立激光加工設備參數的檢測手段，并進行方法研究。

(6)激光切割技術研究。對現有的激光切割系統進行二次開發和產業化，提供性能好、價格便宜的2-3軸數控CO2切割機，并開展相應的切割工藝的研究，使該工藝廣泛用于材料加工、汽車、航天及造船等領域。為此應著重在激光器外圍裝置，如：導光系統、過程監測和控制、噴咀、浮動裝置的設計和研制以及CAD/CAM等方面開展工作。

(7)激光焊接技術研究。開展激光焊接工藝及材料、焊接工藝對設備要求及焊接過程參數監測和控制技術研究，從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。

(8)激光表面處理技術研究。開展CAD/CAM技術、激光表面處理工藝、材料性能及激光表面處理工藝參數監測和控制研究，使激光表面處理工藝能較大幅度地應用于生產。

(9)激光加工光束質量及加工外圍裝置研究。研究各種激光加工工藝對激光光束的質量要求、激光光束和加工質量監控技術，光學系統及加工頭設計和研制。

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

三、激光技術在其它領域的應用

21世紀的激光技術與產業的發展將支撐并推進高速、寬帶、海量的光通信以及網絡通信，并將引發一場照明技術革命，小巧、可靠、壽命長、節能半導體(LED)將主導市場，此外將推出品種繁多的光電子消費類產品 (如VCD、DVD、數碼相機、新型彩電、掌上電腦電子產品、智能手機、手持音響播放設備、攝影、投影和成像、辦公自動化光電設備如激光打印、傳真和復印等)以及新型的信息顯示技術產品(如CRT、LCD及PDP、 FED、OEL平板顯示器等 )并進入人們的日常生活中。激光產品已成為現代武器的"眼睛"和"神經"，光電子軍事裝備將改變21世紀戰爭的格局。

在未來推動光電產業快速發展的進程中，激光技術與其他技術應用領域的結合有以下方面：

1. 激光化學

傳統的化學過程，一般是把反應物混合在一起，然后往往需要加熱(或者還要加壓)。加熱的缺點，在于分子因增加能量而產生不規則運動，這種運動破壞原有的化學鍵，結合成新的鍵，而這些不規則運動破壞或產生的鍵，會阻礙預期的化學反應的進行。但是如果用激光來指揮化學反應，不僅能克服上述不規則運動，而且還能獲得更大的好處。這是因為激光攜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， 觸發某種預期的反應。激光化學的應用非常廣泛。制藥工業是第一個得益的領域。應用激光化學技術，不僅能加速藥物的合成，而又可把不需要的副產品剔在一旁，使得某些藥物變得更安全可靠，價格也可降低一些。又如，利用激光控制半導體，就可改進新的光學開關，從而改進電腦和通信系統。激光化學雖然尚處于起步階段，但其前景十分光明。

2. 激光醫療

激光在醫學上的應用分為兩大類：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，激光技術已成為臨床治療的有效手段，也成為發展醫學診斷的關鍵技術。它解決了醫學中的許多難題，為醫學的發展做出了貢獻?，F在，在基礎研究、新技術開發以及新設備研制和生產等諸多方面都保持持續的、強勁的發展勢頭。當前激光醫學的出色應用研究主要表現在以下方面：光動力療法治癌；激光治療心血管疾??；準分子激光角膜成形術；激光治療前列腺良性增生；激光美容術；激光纖維內窺鏡手術；激光腹腔鏡手術；激光胸腔鏡手術；激光關節鏡手術；激光碎石術；激光外科手術；激光在吻合術上的應用；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應用；弱激光療法等。

激光醫療近期研究重點包括：

(1)研究激光與生物組織間的作用關系，特別是在諸多有效療法中已獲得重要應用的激光與生物組織間的作用關系；研究不同激光參數( 包括波長、功率密度、能量密度與運轉方式等)對不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關系，取得系統的數據；

(2)研究弱激光的細胞生物學效應及其作用機制，包括；弱激光與細胞生物學現象(基因調控和細胞凋亡) 的關系、弱激光鎮痛的分子生物學機制以及弱激光與細胞免疫(抗菌、抗毒素、抗病毒等)的關系及其機制；

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

(4)對醫學光子技術中重要的、新穎的光子器件和儀器設置進行開發性研究，例如：研制醫用半導體激光系統、角膜成形與血管成形用準分子激光設備、激光美容(換皮去皺、植發)設備或其他新激光設備，開拓新工作波段的醫用激光系統以及開發Ho：YAG及Er：YAG激光手術刀等。

3. 激光信息

半導體激光器和光纖放大器是光纖通信的兩項關鍵技術。半導體激光器發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，不僅通信質量好、抗干擾能力強、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上萬倍。一根比頭發絲還細的光纖，就可以同時傳輸上萬路電話或成千路電視節目，從而使通信真正成為通向千家萬戶的網絡新時代。

利用激光技術對光進行存儲使信息的存儲發生了革命性的飛躍。一張CD聲頻光盤的記錄密度相當于1000萬比特／厘米2，可記錄78分鐘的音樂節目，比密紋唱片要大好幾個數量級。一張計算機用的盤徑為5英寸的CD-ROM，容量可達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（數字視盤），其視像蘊含的信號量比CD又要高千倍，可記錄100分鐘的清晰度很高的影視節目。CD、VCD和LD不僅已在放像設備市場占有相當大的份額，而且還可以在配有激光驅動器的計算機上播放。

此外，激光打印機、激光傳真機、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用。

4. 激光全息

光作為一種波動現象，表征它的物理量有波長（同顏色有關）、振幅（同光的強弱有關）和位相（表示波動起點同基準時間的關系）。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的全部信息。因此，采用激光進行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通過光的衍射，就能復現被攝取物體栩栩如生的立體形象。時至今日，在全息照相的基礎上，還進一步發展了全息干涉術、彩色全息及彩虹全息和周視全息等新的全息技術。 ——全息照相具有三維成像的特點，可重復記錄，而且每一小塊全息底片都能再現物體的完整立體形象，其用途十分廣泛?？蓮V泛用于精密干涉計量、無損探傷、全息光彈性、微應變分析和振動分析等科學研究。利用全息干涉術研究燃氣燃燒過程、機械件的振動模式、蜂窩板結構的粘結質量和汽車輪胎皮下缺陷檢查等已得到廣泛應用。全息照相用作商品和信用卡的防偽標記已形成產業，用全息照相拍攝珍貴藝術品，不僅欣賞起來令人如臨其境，而且為藝術品的修復提供了可靠而逼真的依據。正在發展的全息電視還將為人們增添一種新的生活享受。

5. 超快超強激光

超快超強激光主要以飛秒激光的研究與應用為主，作為一種獨特的科學研究的工具和手段，飛秒激光的主要應用可以概括為三個方面，即飛秒激光在超快領域內的應用、在超強領域內的應用和在超微細加工中的應用。

飛秒激光在超快現象研究領域中所起到的是一種快速過程診斷的作用。飛秒激光尤如一個極為精細的時鐘和一架超高速的"相機"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。

飛秒激光在超強領域中的應用(又稱為強場物理)歸因于具有一定能量的飛秒脈沖的峰值功率和光強可以非常之高。這樣的強光所對應的電磁場會遠大于原子中的庫侖場，從而很容易地將原子中的電子統統剝落出去。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。與飛秒激光相應的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飛秒強光可以用來產生相干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加工是飛秒激光用于超快現象研究和超強現象研究之外的又一個飛秒激光技術的重要的應用研究領域。這一應用是近幾年才開始發展起來的，目前已有了不少重要的進展。與飛秒超快和飛秒超強研究有所不同的是飛秒激光超微細加工與先進的制造技術緊密相關，對某些關鍵工業生產技術的發展可以起到更直接的推動作用。飛秒激光超微細加工是當今世界激光、光電子行業中的一個極為引人注目的前沿研究方向。

6. 新型激光武器

激光測距儀是激光在軍事上應用的起點，將其應用到火炮系統，大大提高了火炮射擊精度。激光雷達相比于無線電雷達，由于激光發散角小，方向性好，因此其測量精度大幅度提高。由于同樣的原因，激光雷達不存在"盲區"，因此尤其適宜于對導彈初始階段的跟蹤測量。但由于大氣的影響，激光雷達并不適宜在大范圍內搜索，還只能作為無線電雷達的有力補足。還有精確的激光制導導彈，以及模擬戰場上使用的激光武器技術運用。在激光實戰演習的戰場上，酷似實際戰爭場面。

激光武器的優點；無需進行彈道計算；無后坐力；操作簡便，機動靈活，使用范圍廣；無放射性污染，效費比高。

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，在與不同目標材料相互作用時，會產生不同的殺傷破壞效應。激光器的種類繁多，名稱各異。按工作介質區分，目前有固體激光器、液體激光器和分子型、離子型、準分子型的氣體激光器等。按其發射位置可分為天基、陸基、艦載、車載和機載等類型，按其用途還可分為戰術型和戰略型兩類，即戰術激光武器和戰略激光武器。

當然激光技術的應用遠不止這么多，我只列舉了具有代表性的幾種，并且我相信隨著科學技術的發展，激光技術的應用越來越廣泛。