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激光应用于那些领域

归档日期:08-22       文本归类:后向散射截面      文章编辑:爱尚语录

  目前激光已广泛应用到激光焊接、激光切割、激光打孔(包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等)、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。

  经过30多年的发展,激光现在几乎是无处不在,它已经被用在生活、科研的方方面面:激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮……,在不久的将来,激光肯定会有更广泛的应用。

  激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根据作战用途的不同,激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成,目前通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点,但也存在易受天气和环境影响等弱点。激光武器已有30多年的发展历史,其关键技术也已取得突破,美国、俄罗斯、法国、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验。目前低能激光武器已经投入使用,主要用于干扰和致盲较近距离的光电传感器,以及攻击人眼和一些增强型观测设备;高能激光武器主要采用化学激光器,按照现有的水平,今后5—10年内可望在地面和空中平台上部署使用,用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。

  展开全部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:

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

  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。目前使用的激光器有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。

  激光打标:在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用,目前使用的激光器有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5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前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。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主,也有一些准分子激光器、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。目前使用的激光器多以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。目前使用的激光器多以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。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。

  依据激光在牙科应用的不同作用,分为几种不同的激光系统。区别激光的重要特征之一是:光的波长,不同波长的激光对组织的作用不同,在可见光及近红外光谱范围的光线,吸光性低,穿透性强,可以穿透到牙体组织较深的部位,例如氩离子激光、二极管激光或Nd:YAG激光(如图1)。而Er:YAG激光和CO,激光的光线穿透性差,仅能穿透牙体组织约0.01毫米。区别激光的重要特征之二是:激光的强度(即功率),如在诊断学中应用的二极管激光,其强度仅为几个毫瓦特,它有时也可用在激光显示器上。

  用于治疗的激光,通常是几个瓦特中等强度的激光。激光对组织的作用,还取决于激光脉冲的发射方式,以典型的连续脉冲发射方式的激光有:氩离子激光、二极管激光、CO2,激光;以短脉冲方式发射的激光有:Er:YAG激光或许多Nd:YAG激光,短脉冲式的激光的强度(即功率)可以达到1,000瓦特或更高,这些强度高、吸光性也高的激光,只适用于清除硬组织。

  (1)激光在美容界的用途越来越广泛。激光是通过产生高能量,聚焦精确,具有一定穿透力的单色光,作用于人体组织而在局部产生高热量从而达到去除或破坏目标组织的目的,各种不同波长的脉冲激光可治疗各种血管性皮肤病及色素沉着,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;而近年来一些新型的激光仪,高能超脉冲CO2激光,铒激光进行除皱、磨皮换肤、治疗打鼾,美白牙齿等等,取得了良好的疗效,为激光外科开辟越来越广阔的领域。

  (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。例如:眼袋的治疗传统手术法存在着由于剥离范围广、术中出血多,术后愈合慢,易形成瘢痕等缺点,而应用高能超脉冲CO2激光仪治疗眼袋,则以它术中不出血,不需缝合,不影响正常工作,手术部位水肿轻,恢复快,无瘢痕等优点,令传统手术无法比拟。而一些由于出血多而无法进行的内窥镜手术,则可由激光切割代替完成。(注:有一定的适应范围)

  (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。它的出现,成为鲜红斑痣治疗史上的一次革命,因为鲜红斑痣治疗史上,放射、冷冻、电灼、手术等方法,其瘢痕发生率均高,并常出现色素脱失或沉着。激光治疗血管性皮肤病是利用含氧血红蛋白对一定波长的激光选择性的吸收,而导致血管组织的高度破坏,其具有高度精确性与安全性,不会影响周围邻近组织。因此,激光治疗毛细血管扩张也是疗效显著。

  此外,由于可变脉冲激光等相继问世,使得不满意纹身的去除,以及各类色素性皮肤病如太田痣,老年斑等的治疗得到了重大突破。这类激光根据选择性光热效应理论,(即不同波长的激光可选择性地作用于不同颜色的皮肤损害),利用其强大的瞬间功率,高度集中的辐射能量及色素选择性,极短的脉宽,使激光能量集中作用于色素颗粒、将其直接汽化、击碎,通过淋巴组织排出体外,而不影响周围正常组织,并且以其疗效确切,安全可靠,无瘢痕,痛苦小而深入人心。

  (4)激光外科开创了医学美容的新纪元。高能超脉冲CO2激光磨皮换肤术开拓了美容外科的新技术。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。其效果得到国际医学整形美容界充分肯定,被誉为“开创了医学美容新纪元”;此外,更有高能超脉冲CO2激光仪治疗眼袋、打鼾、甚至激光美白牙齿等,以其安全精确的疗效,简便快捷的治疗在医学美容界创造了一个又一个奇迹。激光美容使得医学美容向前迈进了一大步,并且赋于医学美容更新的内涵。

  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。虽然早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用,只是在激光器发明之后,才发展了利用光压改变原子速度的技术。人们发现,当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束中运动时,由于多普勒效应,原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子,而对与其相同方向行进的光子吸收几率较小;吸收后的光子将各向同性地自发辐射。平均地看来,两束激光的净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力,从而使原子的运动减缓(即冷却下来)。1985年美国国家标准与技术研究院的菲利浦斯(willam D.Phillips)和斯坦福大学的朱檬文(Steven Chu)首先实现了激光冷却原子的实验,并得到了极低温度(24μK)的钠原子气体。他们进一步用三维激光束形成磁光讲将原子囚禁在一个空间的小区域中加以冷却,获得了更低温度的“光学粘胶”。之后,许多激光冷却的新方法不断涌现,其中较著名的有“速度选择相干布居囚禁”和“拉曼冷却”,前者由法国巴黎高等师范学院的柯亨-达诺基(Claud Cohen-Tannodji)提出,后者由朱模文提出,他们利用这种技术分别获得了低于光子反冲极限的极低温度。此后,人们还发展了磁场和激光相结合的一系列冷却技术,其中包括偏振梯度冷却、磁感应冷却等等。朱模文、柯亨-达诺基和菲利浦斯三人也因此而获得了1997年诺贝尔物理学奖。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。

  激光光谱(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。

  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。

  激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根据作战用途的不同,激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成,目前通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点,但也存在易受天气和环境影响等弱点。激光武器已有30多年的发展历史,其关键技术也已取得突破,美国、俄罗斯、法国、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验。目前低能激光武器已经投入使用,主要用于干扰和致盲较近距离的光电传感器,以及攻击人眼和一些增强型观测设备;高能激光武器主要采用化学激光器,按照现有的水平,今后5—10年内可望在地面和空中平台上部署使用,用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。

  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。用激光作为“死光”武器,不能像在激光加工中那样借助于透镜聚焦,而必须大大提高激光器的输出功率,作战时可根据不同的需要选择适当的激光器。目前,激光器的种类繁多,名称各异,有体积整整占据一幢大楼、功率为上万亿瓦、用于引发核聚变的激光器,也有比人的指甲还小、输出功率仅有几毫瓦、用于光电通信的半导体激光器。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。同时,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。

  战术激光武撂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。目前,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。

  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。

  目前,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戈时,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。

  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。

  用光传递信息,在今天十分普遍。比如,舰船用灯语通信,交通灯用红、黄、绿三色调度。但是所有这些用普通光传递信息的方式,都只能局限在短距离内。要想把信息通过光直接传递到遥远的地方,就不能用普通光,而只能动用激光。

  那么如何传递激光呢?我们知道,电是可以沿着铜线输送的,但光是不能沿着普通金属线输送的。为此,科学家们研制出来一种能够传输光的细丝,叫作光导纤维,简称光纤。光纤是用特种玻璃材料制成的,直径比人的头发丝还要细,通常为50~150 微米,而且非常柔软。

  实际上,光纤的内芯是高折射率的透明光学玻璃,而外面的包皮层则是用低折射率的玻璃或塑料制成。这样的结构,一方面能使光沿着内芯折射前进,就像水在自来水管里往前流动,电在导线中往前传输一样,即使千绕百折也没有什么影响。另一方面,低折射率的包皮层又能阻止光外泄,就像水管不会渗水,电线的绝缘层不会导电一样。

  光导纤维的出现解决了传递光的途径,但并不是说有了它就可以把任何光都能传送到很远很远的地方去。只有亮度高、颜色纯、方向性好的激光,才是传递信息最理想的光源,它从光纤的一端输入后,几乎没有什么损失又从另一端输出。因此,光通信实质上就是激光通信,它具有容量大、质量高、材料来源广、保密性强、经久耐用等优点,被科学家们誉为通信领域的一场革命,是技术革命中最辉煌的成果之一。

  激光通信先进在哪里?激光通信的优点首先是容量大。它的容量有多大呢?当我们平时打电话时,讲着讲着有时会串进来不相干的说话声。这种打架现象是由于一对电话线上只能通过一路电话,如果另外串进来一路电话,正常的通话双方就会受到干扰。假如有10对人同时用一对电话线个人同时讲话,那就根本无法通话了。为了解决这个问题,就必须采用载波等方法,使各路电话分别处在各个频段上。由于普通电线赫,而在一对电话线千赫,所以在一对电话线上只能同时通过十几路电话。显然,这样的电信容量是远远不能满足当今信息社会的要求的。

  如果我们把普通电话的传输信息量比作是小推车的话,那么激光通信则是汽车。由于激光的频率要比无线电波高得多,所以激光通信的信息容量要比电气通信大10亿倍。一根比头发丝还细的光纤就可以传输几万路电线根光纤组成的光缆只有一支铅笔那样粗细,每天可以通线根铜线厘米,但每天却只能通线人次。

  尤其令人惊讶的是,光纤通信特别适合于电视、图像和数字的传递。据报道,一对光纤可在一分种内传递全套《大英百科全书》。

  此外,制造光导纤维的材料是地球上到处都有的砂子——石英,只要几克石英就能制造出1千米长的光纤。这样,不仅原材料取之不尽、用之不竭,还可以大大节约铜和铝材。正因为如此,目前世界上发达国家都在竞相研究激光通信。于是激光通信成了争相发展的宠儿。

  在通信技术史上,光纤通信技术的发展之快是前所未有的。拿通信技术史上的几个里程碑来看,电线年左右的时间,并且电话通信至今仍大量、普遍使用。无线电技术(例如电报)从发明到应用也花了30年左右时间。电视技术虽然发展较快,但仍然孕育了约14年。而激光通信,从第一根低损耗光导纤维的诞生到应用,总共只有5年时间。现在激光通信不仅应用广泛,而且形成了巨大的光纤市场。

  1977年5月,美国有一家大公司叫电报电话公司,它在芝加哥市内的两个电话局之间,敷设了世界上第一条短距离的光导纤维通信线路,此后在全美国近百个地方建立了总长几百千米的短距离激光通信线路。这就意味着在短距离内,激光通信已开始取代普通的电气通信。到了1983年,美国纽约到波士顿之间长达600千米的光导纤维通信已投入使用。

  紧跟在美国后面的是日本。1984年,日本完成了从北海道的札幌至九州福冈的长距离光导纤维通信干线月,中国和日本之间横跨东海的光纤电缆已铺设成功。日本和美国之间横跨太平洋的长达1万千米的海底光缆也在设计中。

  由于光导纤维通信的蓬勃发展,美、日、英、法等工业发达国家相继成立了光导纤维、光缆生产企业。世界上三大著名的光纤光缆公司——美国的西电公司、康宁公司和日本的住友公司,光导纤维产量每年都在12万千米以上。

  总之,工业发达国家都已建立了全国性的光纤通信网络,以便彻底替代目前的铜质电线电缆,这项浩大的技术工程估计到2000年可告完成。到那时候,激光通信将给我们这个地球带来巨大变化。例如,足不出户就可以利用光纤网络在家中处理文件或参加一个会议;或者将家中的光纤网络与购物中心相连,如同置身在超级市场一样,坐在家中选购需要的商品,货款只须与电子金融购物系统结算。各地的医疗中心也可以从屏幕上查看病人的病情和化验报告,并据此开出处方单,从而真正做到“秀才不出门,可知天下事”,“运筹于帷幄之中,决胜于千里之外”。

  激光和光纤还可以传送图像。首先,要将直径比人头发丝还要细的单根光导纤维组合成纤维束。在传送信息过程中,常用的纤维束有两种:一种叫传光束,另一种叫传像束。传光束的任务是将光从一头传到另一头。传光束结构比较简单,它是由多根单丝胶合在一起,再将其端面抛光、研磨,以便减少光进入光纤时的反射和散射损失,然后在传光束外面套上塑料护套。

  由于一根光纤只能传送一个光点,要传送整幅图像就必须将光导纤维一根一根整齐地排列起来,这样组成的光纤束就叫传像束。

  在传像束中,全部光纤都排列得整整齐齐,两个端头所处的位置都一一严格对应,一点也不混乱,就像一把整齐的筷子那样。比如,某根光纤的一头在传像束中处于第八排第八列的位置上,那么它的另一头也同样是处于八、八位置上。

  传像束在传送图像时,首先将图像分割成网眼状,即一幅图像被无数根光纤分解成无数个像元,然后再传送出去。一根光纤负责传送一个像元,无数根光纤便能将整幅图像传送到另一端。如果要使图像传送得清晰,就要尽可能选用直径较细的光纤,因为光纤越细,在一定的传像束上就能容纳进更多的光束,这样就能传送更多的像元。显然,像元越多,图像就越清晰。

  现在应用的传像束由上万根光纤组成,要把这么多光纤整齐地排列起来可不是一件容易的事。排列好后,再用一种叫作环氧树脂的有机粘合剂将两端胶合,使光纤粘结固定,保证两端光纤一一对应。对两个端面还要磨平和抛光。至于中间部分则不必粘牢,而是像二胡的弦那样松散,只须在外面加上保护的塑料套管,这样的传像束既柔软,又可以任意弯曲。

  除了传送图像处,传像束还能传送一般的符号或数字,以及放大图像或缩小图像。

  如要放大图像,可以将传像束做成一端大、一端小,就像锥体那样。当图像元从小端传到大端时,整幅图像就被放大。反之,如将图像从大端发送到小端,整幅图像就被缩小了。

  此外,利用光纤还可以改变图像。如果根据需要有意打乱光导纤维的排列,就可以使出口端的像元并不落在原先对应的点上,而落到主观构思的点上,于是图像就改变了。如果将图像元进口端的光纤做成方形,而将出口端光纤做成圆环形,就能将方形的图像元变成圆环形的像元。

  总之,光纤传像束有很大的发展潜力,在未来的光信息处理技术中将日益显示其独特的作用。

  钻孔、切割、焊接以及淬火,是加工金属材料时最常用的操作。自从引进了激光后,在加工的强度、质量以及范围等方面开创了全新的局面。除了金属材料外,激光还能加工许多非金属材料。

  激光钻孔机在激光钻孔机问世之前,对各种机械零件钻孔靠的是电动钻孔机或冲床。但机械钻孔不仅效率低,而且钻出的孔洞表面不够光洁。

  激光钻孔的原理,是利用激光束聚集使金属表面焦点温度迅速上升,温升可达每秒l00万度。当热量尚未发散之前,光束就烧熔金属,直至汽化,留下一个个小孔。激光钻孔不受加工材料的硬度和脆性的限制,而且钻孔速度异常快,快到可以在几千分之一秒,乃至几百万分之一秒内钻出小孔。

  比如,如果需要在金属薄板上钻出几百个连人眼都难以察觉出来的微孔,用电动钻孔机显然是不能胜任的,但用激光钻孔机却能在1~2秒钟内全部完成。如果用放大镜对这些微孔作一番细查的话,可发现微孔面十分整齐光洁。

  激光钻孔还可用来加工手表钻石。它每秒钟可钻 20~30个孔,比机械加工效率高几百倍,而且质量高。同时,激光钻孔与下面我们就要讲到的激光切割一样,加工过程是非接触式的,即不像机械加工那样靠钢钻头逐渐钻透金属材料。因此,激光操作可以在自动化连续加工,或者在超净、真空的特殊环境中发挥作用。

  激光切割机知道了激光钻孔的原理,就容易理解激光为什么可以切割金属材料了:只要移动工件或者移动激光束,使钻出的孔洞连边成线,就自然能将材料切割下来了。而且,不论是什么样的材料,如钢板、钛板、陶瓷、石英、橡胶、塑料、皮革、化纤、木材等,激光都如一柄削铁如泥,削木如灰的光剑,而且,切割的边缘非常光洁。

  激光焊接机激光之所以能用来焊接,是因为它的功率密度很高。所谓功率密度高,是指在每平方厘米面积上能集中极高的能量。激光的功率密度有多高呢?我们可以作个比较:工厂里通常用于焊接的乙炔火焰能将两块钢板焊在一起,这种火焰的功率密度可以达到每平方厘米1000瓦;氩弧焊设备的功率密度还要高,可以达到每平方厘米10000瓦。但这两种焊接火焰根本无法与激光相比,因为激光的功率密度要比它们高出千万倍。这样高的功率密度不仅可以焊接一般的金属材料,还可以焊接又硬又脆的陶瓷。

  激光淬火传统的淬火方法十分简单,先将刀刃烧红,然后骤然浸到冷水里,经过这一热一冷的处理,刀刃的硬度就大为提高。不过,这样淬火显然不太方便,效果也不一定理想。

  激光淬火,是用激光扫描刀具或零件上需要淬火的部位,使被扫描区域的温度升高,而未被扫描到的部位仍维持常温。由于金属散热快,激光束刚扫过,这部位的温度就急骤下降。降温越快,硬度也就越高。如果再对扫描过的部位喷速冷剂,就能获得远比普通淬火要理想得多的硬度。

  照相排版实际上是引入了光学摄影原理。用活字排版,必须根据书稿,依样画葫芦地检出各种大小、字体不同的铅字和符号进行排版。而照相排版要简便很多,它是通过排字机上的透镜,来改变字样的大小和形状的。至于用透镜为什么就能改变字样的大小和形状,这实际上就等于我们照“哈哈镜”。

  用照相排版时,只需将光源通过透镜把需要的文字和符号,在感光相纸上成像,再经过显影和定影就形成了照相底片。然后,只要像印照片那样印刷就行。

  照相排版可使用两种光源,刚才讲的是普通光源,相比之下,激光排版省时省力。由于激光亮度高,颜色浅,可以大大改善图像的清晰度,印出来的书质量自然就高。它的原理是怎样的呢?首先通过计算机把文字变成一个个点,然后用点来控制激光扫描感光底片,才真正拍摄出全息照相。

  全息照相与立体照相是两回事。尽管立体彩色照片看上去色彩鲜艳、层次分明,富有立体感,但它总归仍是单面图像,再好的立体照也代替不了真实的实物。比如,一个正方形木块的立体照,不论我们怎样改变观察角度,只能看到照片上的那个画面,但全息照就不同了,我们只要改变一下观察角度,就可以看到这个正方块的六个方面。因为全息技术能将物体的全部几何特征信息都记录在底片上,这也是全息照相最重要的一个特点。

  全息照相的第二个重要特点是,能以一斑而知全豹。当全息照被损坏,即使是大半损坏的情况下,我们仍然可以从剩下的那一小半上看到这张全息照上原有物体的全貌。这对于普通照片来说就不行,即使是损失一只角,那只角上的画面也就看不到了。

  全息照的第三个特点是,在一张全息底片上可以分层记录多幅全息照,而且在它们显示画面时不会互相干扰。正是这种分层记录,使得全息照能够存储巨大的信息量。激光全息照的底片,可以是特种玻璃,也可以是乳胶、晶体或热塑等。一块小小的特种玻璃,可以把一个大型图书馆里的上百万册藏书内容全部存储进去。全息照相的用途日益广泛。

  全息照相可以将珍贵的历史文物记录下来,万一有文物古迹遭到严重破坏,即使荡然无存,我们仍然可以根据全息照相重建。比如像北京圆明园那样的名胜,当年被八国联军焚毁,现在虽然打算重建,因为不知道原来的整个面貌,就难以完全恢复。如果全息照相提早100年发明的话,事情就好办了。

  全息照相在工业上还可以用作无损检测。什么是无损检测呢?就是说,用激光全息技术既可以检查出产品有没有微小的毛病,又一点也不会损伤这些产品。

  更令人感兴趣的是,目前全息照相还被用来拍摄全息电影和电视,不久观众会看到真实生活的图像画面了。即用激光“撞”击底片上的感光涂料,留下无数个对应的点,这些点经显影、定影后就重新变成文字或图像。这里,激光束相当于电子束,感光底片相当于电视机荧屏。接下来,用载有文字和图像的底片就可以去印书报杂志了。彩色电视机之所以能显示红、绿、蓝三色,是由于荧屏上涂有三色荧光粉,它们在电子撞击下会显出三种颜色。而激光照相排版也可以采用类似的原理,印刷出优美的彩色画面来。

  激光应用在医疗器械领域的成果是很多的,它可以扮演钻头、手术刀、焊枪等多种角色。

  焊枪和钻头在眼科,激光主要是用来治疗视网膜剥离。视网膜剥离是一种很棘手的疾病,患者的视网膜与眼球内壁脱开,无法产生视觉。在激光没有问世之前,病人恐怕难免失明的苦难。

  现在,医生可以用激光器对准病人眼底,使激光器发射出一束激光,通过加热使视网膜重新与眼球内壁合在一起。整个过程要不了几分钟,激光束就像焊枪一样,将病人的视网膜焊接好了。

  白内障是老年人的常见病。病人的眼球前部的凸透镜——晶状体,由原来透明的弹性体渐渐变得混浊无弹性,光线就不能通过晶状体,落到眼底的视网膜上,病人逐渐看不见东西。治疗白内障的传统办法是,将眼球前部切开一条口子,然后从小口子中伸进一根细金属针。这根金属针温度极低,将浑浊的晶状体冻得粘在针上,然后一起从小口子中带出,显然,整个手术比较麻烦。

  如果用医用激光器来治疗,不仅方便,而且效果好。只要将激光束对准眼球内晶状体的前表面或后表面发射,就可以迅速切除掉晶状体表面的混沌膜。

  在牙科,激光可以代替牙钻。根据世界卫生组织统计,儿童的龋齿发病率是相当高的,大约达到75%。用激光治牙,病人几乎没有不舒服的感觉,而且只要不发炎,一次治疗就能解决问题。牙科激光器是激光器中的小弟弟,它的功率很小,只有3瓦,相当于一支节能灯,几乎不产生热量。它的发射端实际上是像头发丝那么细的光导纤维。

  治疗时,只须将光纤发射端接近龋齿灶,发出激光束,龋处组织会分解,然后用清水冲洗掉。如果龋齿仅是浅度的牙珐琅质受损,激光束会将受损处的细微孔隙一一封死,这样便可以阻止乳酸腐蚀牙本质。如果已出现了龋孔,用激光束钻孔、清洗后,即可将人造珐琅质材料填入空洞中,再用激光加热接合处,使人造珐琅质材料与牙珐琅质融为一体。激光治牙不仅无痛、迅速,而且治疗后的效果也好。

  激光手术刀如果要使用激光刀给病人的膀胱、心脏、肝脏、胃、肠等重要内脏动手术,难度就大了。激光怎么能进入到人的内脏里去呢?这就要靠医生手中的一件宝贝了,这件宝贝就是激光纤维内窥镜。

  所谓内窥镜,是医生用来插到人体内直接观察器官的光学装置。但通常的内窥镜体积比较大,也比较粗糙,只能从病人口腔沿食道插到胃里观察。插胃是十分难受的,病人会感到很痛苦。激光纤维内窥镜则完全不同。用光导纤维做成的内窥镜又软、又细、又能弯曲,当它插入病人胃里时,不会有痛苦。除了胃,光纤内窥镜还能进入其他重要的脏器内。激光纤维内窥镜一方面可用来检查病人的脏器是否有病变,更主要的是可以将激光能量输入体内脏器中,对病变组织进行照射,也即加以切除,起到手术刀的作用。而且,用激光刀切割,伤口能自动止血,不需要结扎出血点,大大缩短了手术时间,伤口也不会发炎。如果用激光刀切除恶性肿瘤,还可以防止癌细胞扩散呢。

  激光导弹在海湾战争中,以美国为首的多国部队向伊拉克境内发动大规模空袭,摧毁伊拉克的许多重要军事目标。最后,这场战争以伊拉克的失败而告终。有人说,海湾战争是一场先进武器的较量,这话确有道理。

  美国的飞机上装有激光瞄准器,它能发射出红外激光。当一架担任侦察任务的飞机在空中发现地面目标时,就边在空中盘旋,边用激光瞄准器不断地向目标发射激光束。这种激光束实际上起着向导的作用。这时,担任攻击任务的另一些飞机就随后飞来,向目标扔下激光制导导弹。这些激光制导导弹上装有自动跟踪系统。这种自动跟踪系统等于导弹的眼睛,当导弹扑向目标时,它能根据从目标上反射回来的向导激光,不断地修正飞行中的航向,从而准确无误地击中目标。

  其实,这类激光制导导弹,早在70年代,美国在越南战场上就使用过。现在不仅有空对地导弹,而且有地对地、空对空、地对空等多种激光导弹。

  今天,人们已能够将无线电搜索雷达、激光雷达结合起来,组成作战系统。比如,当无线电雷达发现空中目标(敌机或导弹)后,就可以将目标的高度、方位和速度准确测量出来。只要目标进入一定范围内,激光雷达就会开启,发射出一束很细的激光束,紧紧盯住并精确测量出目标的位置,然后发射的激光导弹,会根据激光雷达提供的向导激光束,准确地命中目标,将其摧毁。这类激光导弹可以方便地部署在卡车上,也可以改装成反坦克导弹。

  目前研制成的反坦克激光导弹,既可以从地面上发射,也可以从直升飞机上发射。导弹上装有半导体激光器,起着自动跟踪目标的作用,使导弹能百发百中地击中坦克。

  激光雷达虽然精度高、体积小、操作灵巧、转移方便,但它也有缺点,就是容易受到气象条件的限制,也不适于在大范围内搜索目标。因此,它一般都与无线电雷达配合使用,互相取长补短。

  激光枪和激光炮所谓激光枪和激光炮都属于激光战术武器。它们的外形像枪和炮,但它们发射的不是子弹和炮弹,而是激光束,使敌方人员伤亡或失明。这类枪炮的威力大小,与本身的能量和射击距离有关。现在激光枪和激光炮的有效射程还不远,所以死光的威力有限。

  但是,死光武器的前景是无法估量的。一旦激光束的能量加大、有效距离增加,那就会成为名副其实的死光。比如,用激光炮打1万米高空中的飞机,由于激光束的前进速度是每秒30万千米,因此只需三万分之一秒的时间就能击中飞机。而在这短短的瞬间,飞机在空中仅够向前移动几厘米。这样,对于死光来说,活动的飞机实际上成了死目标,必死无疑。照此计算,即使是射向几千千米外的导弹,死光也只需花几十分之一秒,而在这个瞬间内,导弹也只能够向前飞行几十米。因此,死光有充分的时间将导弹摧毁在外层空间。

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