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激光技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

2011-11-29 12:55:26

世界上第一臺激光器誕生于1960年，我國于1961年研制出第一臺激光器，40多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個學(xué)科相結(jié)合形成多個應(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)，激光檢測與計量技術(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，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)，大大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

一、激光技術(shù)應(yīng)用簡介

激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工以及做為光源，識別物體等的一門技術(shù)，傳統(tǒng)應(yīng)用最大的領(lǐng)域為激光加工技術(shù)。激光技術(shù)是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學(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)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(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。

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。

激光切割：汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、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。

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。

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。

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，同時在航空航天、機床行業(yè)和其它機械行業(yè)也應(yīng)用廣泛。我國的激光熱處理應(yīng)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。

激光快速成型：將激光加工技術(shù)和計算機數(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。

激光涂敷：在航空航天、模具及機電行業(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。

二、激光加工技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究開發(fā)的重點

目前激光加工技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究開發(fā)的重點可歸納為：

(1)新一代工業(yè)激光器研究，目前處在技術(shù)上的更新時期，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)分子激光器的機型研究，開發(fā)和研制專用配套的激光加工機床，提高激光器產(chǎn)品在生產(chǎn)線上穩(wěn)定運行的周期。

(4)加工系統(tǒng)智能化，系統(tǒng)集成不僅是加工本身，而是帶有實時檢測、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。

(5)建立激光加工設(shè)備參數(shù)的檢測手段，并進行方法研究。

(6)激光切割技術(shù)研究。對現(xiàn)有的激光切割系統(tǒng)進行二次開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，提供性能好、價格便宜的2-3軸數(shù)控CO2切割機，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)測和控制、噴咀、浮動裝置的設(shè)計和研制以及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、焊接工藝對設(shè)備要求及焊接過程參數(shù)監(jiān)測和控制技術(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)計和研制。

(10)開展激光加工工藝技術(shù)研究，重點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)是光電技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，將取代和推動傳統(tǒng)電子信息產(chǎn)業(yè)

21世紀(jì)知識經(jīng)濟占主導(dǎo)地位，大力發(fā)展高新技術(shù)是迎接知識經(jīng)濟時代到來的必然選擇。目前全球業(yè)界公認的發(fā)展最快的、應(yīng)用日趨廣泛的最重要的高新技術(shù)就是光電技術(shù)，他必將成為21世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。而在光電技術(shù)中，其基礎(chǔ)技術(shù)之一就是激光技術(shù)?？茖W(xué)界預(yù)測，到2005年，光電產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達到電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值水平，到2010年，以光電信息技術(shù)為主導(dǎo)的信息產(chǎn)業(yè)將形成5萬億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，到2010年至2015年，光電產(chǎn)業(yè)可能會取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)。光電技術(shù)將繼微電子技術(shù)之后再次推動人類科學(xué)技術(shù)的革命和進步。

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，此外將推出品種繁多的光電子消費類產(chǎn)品(如VCD、DVD、數(shù)碼相機、新型彩電、掌上電腦電子產(chǎn)品、智能手機、手持音響播放設(shè)備、攝影、投影和成像、辦公自動化光電設(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)爭的格局。

在未來推動光電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的進程中，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，在于分子因增加能量而產(chǎn)生不規(guī)則運動，這種運動破壞原有的化學(xué)鍵，結(jié)合成新的鍵，而這些不規(guī)則運動破壞或產(chǎn)生的鍵，會阻礙預(yù)期的化學(xué)反應(yīng)的進行。

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(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，價格也可降低一些。又如，利用激光控制半導(dǎo)體，就可改進新的光學(xué)開關(guān)，從而改進電腦和通信系統(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?，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、強勁的發(fā)展勢頭。

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：光動力療法治癌;激光治療心血管疾病;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、能量密度與運轉(zhuǎn)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(guān)系，取得系統(tǒng)的數(shù)據(jù);

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

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

(4)對醫(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.超快超強激光：超快超強激光主要以飛秒激光的研究與應(yīng)用為主，作為一種獨特的科學(xué)研究的工具和手段，飛秒激光的主要應(yīng)用可以概括為三個方面，即飛秒激光在超快領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用、在超強領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和在超微細加工中的應(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(lǐng)域中的應(yīng)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(yīng)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(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加工是飛秒激光用于超快現(xiàn)象研究和超強現(xiàn)象研究之外的又一個飛秒激光技術(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(shù)緊密相關(guān)，對某些關(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作用。飛秒激光超微細加工是當(dāng)今世界激光、光電子行業(yè)中的一個極為引人注目的前沿研究方向。

4.新型激光器研究：激光測距儀是激光在軍事上應(yīng)用的起點，將其應(yīng)用到火炮系統(tǒng)，大大提高了火炮射擊精度。激光雷達相比于無線電雷達，由于激光發(fā)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(qū)"，因此尤其適宜于對導(dǎo)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(nèi)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(dǎo)導(dǎo)彈，以及模擬戰(zhàn)場上使用的激光武器技術(shù)運用。在激光實戰(zhàn)演習(xí)的戰(zhàn)場上，酷似實際戰(zhàn)爭場面。

激光武器的優(yōu)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(biāo)材料相互作用時，會產(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。

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