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    激光技術的發展與應用

    作者:admin    發布時間:2022-01-21 10:2    瀏覽量:51

    大家知道激光于1960年5月16號那一天誕生,第一臺紅寶石激光器是美國人發明的。第一臺激光器誕生以來,激光技術無論在工業、農業、軍事、天文,包括我們的日常生活都得到了非常廣泛的應用,因此激光成為僅次于電腦的第二大重要發明。在美國有一個最流行的關鍵詞匯排序:第一是引擎,第二是電腦,第三就是激光。激光現在無所不在,我舉個最簡單的例子,我手上拿的這個東西(激光指示筆)就是激光,電腦里有激光刻錄,我們的MP3、CD機,這都是我們日常最常見的一些激光產品。設想如果某一天我們把世界上所有的激光器關閉了會出現什么情況?那將會直接影響到我們的經濟,直接影響到國民的生活。還有一個跟我們所有的人都密切相關的激光應用——電話,世界上的通訊大概80%都是用光纜,就是用激光的方式進行通訊的。我們目前所接觸到的是一些日常見到的,但是未來激光還會有更多的應用。

    激光原型機的發明人是梅曼,而激光的第一個專利持有人是肖洛和湯斯?,F在激光的使用者眾多,由于激光技術及其應用而獲得諾貝爾獎的有11位得主。激光剛發明的60年代初,正是東西方冷戰激烈的時候。當時人們設想,是不是可以把激光作為武器直接投入戰爭。當年世界最強的美國、蘇聯都投入了大量的人力、物力、財力去研發激光。我們中國科學院系統最早開始研究激光是長春光機所,后來又有上海光機所,西安光機所、安徽光機所、成都光電所等陸續成立,當時這幾個所都是以激光基礎、激光技術或者強激光為背景建立的。

    我們來看看激光原理。大家知道原子被光子激發的時候將吸收能量,它會躍遷到上能級;而當上能級的原子躍遷到下能級的時候它會發出一個光子。當一個光子激發上能級的粒子的時候它會發出兩個光子,這兩個光子跟激發的這個光子的特性是完全一樣的。這就是所謂的受激發射。利用這個機理,在一個充滿激光介質的環境中,加上兩個反射鏡形成諧振器,光子在諧振腔里振蕩,在這個過程中間光子不斷地得到激發,不斷地得到放大,振蕩到某一個閾值突然打開開關讓這個光出來,這就是激光。

    激光有一個很顯著的特點它的方向性特別好。我們看這個日光燈,熒光燈,所有的白熾燈都是四面八方的輻射,而激光是方向性特別好的一束光。此外激光的單色性也特別好。白熾燈也好,熒光燈也好,它們是由多種的光譜成分組成的,它是多色的,最后綜合到我們視覺里就是一個白色的效果。而激光是某一種特定的波長,它是單色的,而且是高亮度的。我們知道激光是不能直接照射眼睛的,照到眼里會傷害人,激光武器就是應用這個高亮度還有高相干性的特點。這是物理學上的一個概念,任何一個時刻激光的光子的性質是相同的。

    激光運轉的時候可以有連續激光、有脈沖激光。脈沖激光的寬度有納秒量級的,有皮秒量級的,也有飛秒量級的。

    我們看看激光的種類,激光的種類可以根據它的工作物質的不同,以及激勵方式的不同、運轉方式的不同和輸出波長不同來進行分類。我們接觸的比較多的是固體激光器,現在由固體激光器發展成全固態激光器,它是由晶體或者玻璃作為激光基質,然后通過金屬離子作為工作介質產生輻射。比較典型的就是Nd:YAG激光器(釔鋁石榴石激光器)、紅寶石激光器還有光纖激光器。另外一類就是氣體激光器,氣體激光器顧名思義它的工作介質就是氣體。這里有原子,有離子,有分子,還有準分子激光。還有一類就是液體激光器,液體激光我們也稱為染料激光,它主要是由有機溶液,或無機溶液摻入金屬離子作為工作介質。另外還有半導體激光、自由電子激光等等。

    這幾種類型的工作介質激光做個比較,氣體激光器相對來說體積比較大,但是它的壽命比較長,最主要它的光譜特性非常好,光譜質量好。染料激光器的特點就是光譜范圍比較寬,但是它的光束質量比較差,另外它的能量很低?;瘜W激光器的功率很高,體積很大。過去固體激光器用氙燈泵浦,光束質量比較好,功率也比較高,但是相對于現在的所謂的全固態激光器來說它的體積比較大一些。而半導體激光器最大的特點就是體積非常小,壽命也很長,它的缺點就是光束質量比較差,能量比較小。我們現在發展到全固態激光器,相對于過去傳統的固體激光器來說它的體積要小得多,結構緊湊,另外它的壽命比較長,光束質量比較好,功率比較高?,F在作為激光的工業應用,以及軍事上的激光應用大部分采用這種全固態激光器。

    我們看看激光器的種類(圖1--圖6):氦氖激光器,光纖激光器,薄片固體激光器,半導體激光器,倍頻YAG激光器(釔鋁石榴石激光器)和氦鎘激光器。

    圖1 He-Ne激光器

    圖2 光纖激光器

    圖3 半導體激光器

    圖4 倍頻Nd:YAG激光器

    圖5 薄片固體激光器

    圖6 氦鎘激光器

    根據激光的激發方式可以進行分類,一種是光泵式的激光器。所謂光泵式的激光器就是用光作為激發源來激發介質產生激光。還有一種電激勵式的激光器,就是用電的方法直接激勵工作介質,大多數氣體激光器采用這種形式?;瘜W激光器是通過化學反應來釋放能量,給工作介質提供激勵。這種激光器由于其能量高是激光武器的一個重要的候選者。還有就是所謂的核泵浦激光器,就是用小型的核裂變裝置產生能量去泵浦激光。

    按照激光的運轉方式我們可以進行分類,一種就是所謂的連續激光器。連續激光器激光是連續輸出的。還有就是脈沖激光器,脈沖激光器就是以脈沖的方式“啪啪啪”這樣發射的。在工作中經常采用的是高重復率的脈沖激光器,這種激光器對于我們使用者來說非常的方便,它可以做到幾千赫茲運轉,實際上是一種可以準連續運轉的激光器,這樣很適合應用。還有所謂的調Q激光器,專門的激光技術進行調制。另外從激光技術來說有鎖模激光器,有單模單頻激光器,還有可調諧激光器等等。

    從激光輸出波段來看,首先可見光波段:在整個光譜范圍內可見光的區域是很窄的,實際人眼的識別能力是非常有限的。多數激光運轉在可見光波段。當然現在的激光運轉覆蓋了從紅外一直到X光波段。因此我們可以根據自己的需求去使用不同波段的激光。對于遠紅外激光分類是從25到1000微米,這主要是一些分子氣體激光器以及自由電子激光器位于這個波段。中紅外激光器位于2.5到25微米,比較有代表性的是二氧化碳激光器和一氧化碳激光器。近紅外的激光器比較有代表性的是一些固體激光器,像YAG激光是最典型的一個代表,還有一些半導體激光器。

    可見光激光器主要有紅寶石、氦氖、氬離子、氪離子激光器等等,以及可調諧染料激光器。有代表性的就是694.3 nm紅寶石激光器,是比較經典的一條激光譜線,還有氦氖632.8 nm也是非常經典的一種紅色的激光器。氬離子是綠色的,氪離子是藍色的。紫外激光器有氮分子激光器,有氟化氙準分子、氟化氪準分子激光等等。所以現在激光的整個運轉波段應該說是比較齊全的,基本上滿足我們人類科研需求及生產應用。

    另外還有就是所謂的真空紫外激光器,真空紫外激光器是指5.0到200nm,比較有代表性的是氫分子激光器,還有氟化氬激光器(ArF)。波長為193 nm的ArF準分子激光器是現在光刻領域應用的最熱門的一種激光,在工業生產中應用的非常多。另外現在的激光眼科治療儀大家知道嗎?聽說過激光治療近視眼嗎?就是用這種193nm ArF激光器。還有所謂的六倍頻的全固態激光器,就是使用我們理化所研發的這種KBBF晶體產生的177.3nm的激光,處于真空紫外,目前在世界范圍只有我們理化所能提供這種產品。再就是X射線激光器,X射線激光器目前還在探索過程中。

    我們粗算一下自1960年發明第一臺激光器到現在一共有54年整吧,跨55年,所以我做了一個激光55年的時間發展表。愛因斯坦提出受激輻射理論是在1917年。1953年美國的物理學家提出了“Maser”,就是微波受激發射放大,這是激光前期的一些研究基礎。到了1957年發明了“Laser”這個單詞,“受激發射的輻射光放大”,從理論上預言了激光可以產生。一直到1960年梅曼第一次實現了紅寶石激光的運轉,從理論提出到第一臺激光器的實現這個過程經歷了幾十年。當然從1960年到現在是54年整,55年,我們可以看到激光的技術發展是非常的迅猛。

    1961年激光首次被應用在外科手術中,切除視網膜的腫瘤;1962年發明了砷化鎵半導體的二極管激光器;1963年二氧化碳激光器發明;1965年研發了第一臺激光光盤;到了1969年激光應用在“阿波羅11號”飛船遙感勘測,精確測定了地球與月球的距離。1971年激光進入藝術世界,激光舞臺,我們當今經??梢钥吹椒浅=k麗的舞臺效應,就是利用激光技術實現的。到了1974年隨著半導體激光器的大規模使用,第一臺超市條形碼的掃描器誕生,這個跟我們普通老百姓的關系非常密切,所有的超市都用這種裝置來顯示商品的信息。1975年的第一臺商用激光打印機,1978年第一臺LD(激光影視播放機)。我還記得當年,那時候我的一個朋友買了一臺LD機,機器花不了多少錢,但一張光盤,普通唱片大小的一張光盤要500元錢。那個時候500塊錢可是一個錢,10個月的工資,所以那個時候很奢侈的。就這么一個光盤很多朋友都去看,去聽。1982年我們現在廣泛流行的CD機誕生了。1983年美國里根總統發布了著名的“星球大戰”演說,他描繪了所謂太空的激光武器。1988年北美和歐洲之間誕生了第一條光纖光纜,通過激光來傳輸數據,通話。1991年激光開始應用于制造業,這主要的是在半導體集成電路、元器件,和汽車制造。1991年激光開始治療近視眼,這也是我們國家現在最大的一個激光醫療產業。1991年隨著海灣戰爭的爆發,美軍第一次使用激光制導導彈。1996年日本東芝推出了DVD。 1997年朱棣文發明的激光冷卻俘獲原子技術獲得諾貝爾獎,后來他曾擔任過美國能源部部長。2008年法國的科學家使用光纖進行微創手術。2010年美國核安全局使用192束激光照射靶丸產生核聚變反應,就是所謂的新型能源,這是目前世界上最大的一個激光裝置。

    我們來看看中國的激光第一人,這些科研工作者都為中國的激光事業作出了重要貢獻。紅寶石激光器當時是長春光機所王大珩先生首先制作出來的,這是我們國家第一臺激光器,1961年9月份。我們可以看到這個激光器的誕生和世界上第一臺紅寶石激光器的誕生相差一年的時間?;蛘哒f我們當時的差距是一年,現在我估計,我們與世界最先進的激光技術應用差距十年到二十年(最前沿的激光技術差距也許小一些)。

    1963年上海光機所鄧錫銘研制成功了我國第一臺氦氖激光器,然后1963年研制成功第一臺摻釹釔鋁石榴石激光器。1963年半導體所王守武研制成功了第一臺半導體激光器。電子所萬重怡1964年制作了第一臺脈沖的氬離子激光器。1976年安徽光機所胡雪金研制成功了第一臺準分子激光器。2014年10月上海技物所徐剛毅等人研制了第一臺太赫茲量子級聯激光器。

    激光應用的領域非常廣泛,它現在和我們人類的生產生活是密切相關的。我們可以看到,對于工業領域來說激光應用非常廣泛,像焊接、切割、淬火、打標、微納制造加工,現在最時髦的3D打印,還有精密測量,包括時間、長度的測量等等。農業方面激光育種是比較傳統的一個項目。醫學方面激光手術、美容、心血管還有癌癥的診斷和治療。對于軍事上的應用就更多了,激光槍炮、激光制導、激光反導、通信、陀螺、測距等等。在科學研究領域激光的應用也非常的多,因為激光是一個非常好的工具,激光光譜、同位素分離、激光全息等等。日常生活中商場里用的條紋碼掃描器、激光指示器、CD機、VCD、激光電視、全息郵票、激光打印機、復印機、激光藝術舞臺等等,這都是和我們老百姓日??吹靡娒弥囊恍├?。

    我們看這一臺激光器就是世界上的第一臺紅寶石激光器(圖7),從此開始了激光的新時代。在工業上激光廣泛應用于測量、檢測。激光有個特點,它特別適合于應用在某些傳統工業或者傳統方法沒辦法加工,沒辦法解決的某些工藝上,尤其是對一些硬質材料的加工更有特色??赡芪覀冊谧娜硕贾?,過去說你的手表好不好,有多少“鉆”,某人戴了個好手表,17鉆的,15鉆的,21鉆的,大家還有印象沒有?這個“鉆”是指什么?是指我們手表里的鉆石軸承數或者是寶石軸承數。過去傳統的寶石加工是非常困難的。傳統工藝是什么呢?這個寶石軸承孔是用一根鋼絲高速旋轉,沾著金剛砂把它打穿磨光的。所以每一個“鉆”加工出來是非常的耗時、昂貴。而我們現在用激光的方法來加工就非常的簡單,用激光一個脈沖或者幾個脈沖就可以把它加工出來。那個時候我們在學校當學生的時候去參觀車間,那簡直是革命性的創舉,全部是流水線,小小的軸承,小小的寶石,一個個流水線傳過來這個激光“噠噠噠” 就加工出來了。所以這樣的話我們現在的手表就不再單純用多少鉆多少鉆的加工費來衡量它的價值了。

    圖7 1960年5月16日,美國加利福尼亞休斯實驗室,32歲的西奧多·梅曼(Theodore Maiman)設計和建造了一臺小型的激光發生器,螺旋閃光燈纏繞在幾mm大小的紅寶石棒上,產生了世界第一束激光。

    一些比如特殊的合金材料零件,過去加工也是非常困難的,而現在采用激光的方法加工就非常的簡單。另外對一些兩種不同性質的材料加工,如果把這兩種不同的材料焊接起來,在過去工藝上是沒辦法解決的(用膠水粘連?),而現在我們用激光的方法就可以很好的解決。這是一些激光焊接或者激光切割加工時的一些圖片(圖8、圖9、圖10),這都是大工業應用的。這是激光淬火的工件,這是激光打孔,這是激光焊接。當年航天航空部有一個所搞飛機發動機,飛機發動機有一塊曲面散熱板,采用不銹鋼的,它要求在這個不銹鋼上打出零點幾毫米的孔,要一次打幾百個。過去的加工就是用機械鉆頭,而且又在一個曲面上,一個特殊的曲面上加工。用鉆頭一個孔一個孔地加工,費工、費時、精度低?,F在采用激光技術,通過計算機控制,一個是精度非常的高,二是加工很快,成本非常低。

    圖8、圖9、圖10、激光加工:焊接、切割、打孔、淬火等。

    這是醫院用的一種注射針(圖11),它要求把針頭和針管密封焊接起來,針頭是金屬,針管是塑料,實際上這在傳統工藝上沒有辦法實現,用激光可以同時融化兩種不同性質的材料,將其焊接在一起。這個是汽車的鑰匙(圖12),它是一個塑料的外殼,里邊是無線遙控裝置,用激光的方法把它密封焊接起來?,F在高檔的車鑰匙都是采用這種方法,一次性焊接,要是想把它拆開的話就把它毀壞了。

    圖11 醫用針的激光焊接(金屬與塑料的焊接)。

    圖12 汽車鑰匙的激光焊接。

    這是激光加工出來的各種零部件(圖13),大家可以看到這些加工出來的零部件都非常的精細,而用傳統的機械加工的方法(車、銑、刨、磨等)加工是很困難的。也許大家對這個圖形(圖14)可能感到很奇怪,這個圖形凡是搞過機械加工的人你們可以想想,要用普通的機械加工是很困難的,基本上是加工不出來這個東西,而用激光的方法就可以把它很方便的加工出來。這是汽車生產線上的激光焊接(圖15),全部采用流水線,一條生產線上有十幾臺二十幾臺的激光焊接機器人。這是激光軋輥淬火,科學院力學所最早研發的項目。這是激光葉片的整形。這是激光打標(圖16),在各種工具上或者零部件上打出標記來:商標、型號、參數等。這是激光全息:這是激光全息郵票,這是我們中國發行的全息郵票。這是激光電視,這個等會兒許祖彥院士會給大家作詳細的介紹。圖17是激光舞臺的夢幻效果,也是舞臺藝術。這是激光媒體,把人體模特和激光掃射出來的各種圖形組合在一起。我們可以看到這是面額5美元的一張美鈔,這是一個半導體激光器,它的尺寸就這么小。

    圖13 激光切割的各種零件。

    圖14 激光刻蝕的零件,用普通的機加工藝十分困難。

    圖15 汽車生產線上的激光焊接機器人。

    圖16 激光打標。

    圖17 激光舞臺藝術。

    這是激光雕刻的各種部件,木頭、布匹。這是激光刻劃的各種圖形和賀年卡片。激光可應用于文物保護,這個是被污染的一個文物,這是激光清潔以后的效果。

    激光在通信工程中應用非常的廣泛,除了電話、電視,它還包括各種數據的傳輸。

    激光醫學在各種科室的應用也非常多。我們現在的三甲醫院有一個很重要的硬件條件就是必須設立激光科,沒有激光科是不能定為三甲醫院的。激光醫學對于我們老百姓來說也是一個非常重要的部分。激光眼科可以治療很多眼科疾病,激光治療近視眼是當今很多年輕人摘除眼鏡的最佳選擇(圖18)。激光美容是很時髦的一個科室,可以美容,可以治療一些特殊的疾病,像鮮紅斑用普通方法沒法治療,用激光的方法就可以把它治愈。大街小巷都可以看到激光美容的廣告。

    圖18 準分子激光眼科治療儀。

    激光在科學儀器上也有十分廣泛的應用。在以物理學、化學、生物學為基礎的各種科學研究中,用于診斷、檢測的各種儀器中,激光已成為不可或缺的工具;利用激光與物質的相互作用成為了生物、能源、環境、工程科學研究中不可或缺的手段。

    激光武器,我們來看看。簡單的給大家回顧一下,激光武器就是應用它的單色性、相干性、方向性還有高能量密度。實際上在我們各個軍兵種都廣泛應用到激光。激光武器有很多特點,它的機動性比較好,靈活性高,指哪打哪,命中率高,不受電磁波干擾,還有它比常規的導彈要廉價的多?!皭蹏摺睂椕棵妒?0到50萬美元,“毒刺”防空導彈每枚2萬美元?,F在的全固態激光器一束脈沖激光約合一美元。這是單兵武器與傳統的槍,把激光器裝在里面。這是以色列的拐彎步槍,它加上了一個激光的瞄準裝置,可以在任何一個拐角把激光槍管拐過去瞄準射擊。這是我們國產的拐彎步槍。這是坦克,美國的M1A2主戰坦克(圖19),在中東戰爭中美軍大量使用的一種武器,它裝備了很先進的激光探測儀,激光測距儀等等。這是中國的主戰坦克,這種坦克主要是出口,里面安裝了激光測距儀。美軍的“夜鶯”戰機(圖20)裝備了激光制導炸彈。我們中國的梟龍戰機也裝備了激光武器。美國的車載固體激光武器,使用了百兆千瓦的固體激光器,美軍1999年就基本完備了所有的試驗。這是美國人和以色列人搞的一個機動戰術高能激光武器,這是激光的發射裝置(圖21),這是它的戰場示意圖。這是美國的車載激光炮,這是它的一個擊毀靶機的實驗裝置,這是它的裝置圖。這是美軍的激光地對空武器,用一臺悍馬吉普車裝載激光武器(圖22),機動性很高。這種小型的裝置對付導彈、炮彈還有無人機效果特別好。這是我們中國制造的激光制導炮彈。這兩種武器也是我們制造的,都是出口型的。

     

    圖19 美國的主戰坦克,安裝了激光測距裝備。

    圖20 美國的夜鶯隱形戰機,裝備了激光制導武器。

    圖21 美國高能激光武器發射窗。

    圖22 美國“激光復仇者”系統安裝于悍馬吉普車上,移動便捷,被視為未來戰爭中的一種革命性武器。

    美國的激光反導系統(ABL)用三百兆千瓦的氧碘激光器安裝在C130運輸機上(圖23),美軍策劃用7臺波音飛機裝載ABL系統作為一個戰斗群。在此基礎上又發展了機載先進戰術激光系統(ATL),機載激光器配備了百兆千瓦的激光器,完全有能力對彈道導彈進行干擾和打擊。這是美國的激光武器攻擊平臺。這是艦載激光武器,美國人最近報道在驅逐艦上安裝了這種激光武器。自由電子激光器是未來最佳的激光武器候選者,但是它有個缺點就是裝置非常龐大?,F在的作戰武器要求機動性特別高,打了就要跑,不能固定在一個地方,固定在一個地方馬上就被別人干掉了。自由電子激光器作為激光武器,最佳的選擇就是裝在艦艇上,拉著到處跑,一般大型的驅逐艦可以提供自由電子激光器所需的全套供電系統。

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