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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(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(jìn)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?yàn)榧す饧庸ぜ夹g(shù)。激光技術(shù)是涉及到光、機(jī)、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(jī)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(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。

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(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。

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。

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。

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。

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

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(diǎn)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(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、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(jìn)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(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)測和控制、噴咀、浮動裝置的設(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(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)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(jì)占主導(dǎo)地位，大力發(fā)展高新技術(shù)是迎接知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代到來的必然選擇。目前全球業(yè)界公認(rèn)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(dá)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(jìn)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(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(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)爭的格局。

在未來推動光電產(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，這種運(yùn)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(yùn)動破壞或產(chǎn)生的鍵，會阻礙預(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，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(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.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)光所對應(yīng)的電磁場會遠(yuǎn)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(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(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。

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(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)"，因此尤其適宜于對導(dǎo)彈初始階段的跟蹤測量。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)場上，酷似實(shí)際戰(zhàn)爭場面。

激光武器的優(yōu)點(diǎn);無需進(jìn)行彈道計(jì)算;無后坐力;操作簡便，機(jī)動靈活，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。

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