激光是什么

小白QA2020-04-13 11:50:02阅读(...)

激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。意思是“通过受激辐射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。

激光是 20 世纪以来继核能、电脑、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。英文名 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,意思是“通过受激辐射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。激光的原理早在 1916 年已被著名的犹太裔物理学家爱因斯坦发现。

激光是什么

原子受激辐射的光,故名“激光”:原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级的时候,所释放的能量以光子的形式放出。被引诱(激发)出来的光子束(激光),其中的光子光学特性高度一致。因此激光相比普通光源单色性、方向性好,亮度更高。

激光应用很广泛,有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器、LIF 无损检测技术等等。激光系统可分为连续波激光器和脉冲激光器。

激光原理

光与物质的相互作用,实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子,同时改变自身运动状况的表现。

微观粒子都具有特定的一套能级(通常这些能级是分立的)。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态(或者简单地表述为处在某一个能级上)。与光子相互作用时,粒子从一个能级跃迁到另一个能级,并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E,频率为ν=△E/h(h 为普朗克常量)。

1.受激吸收(简称吸收)

处于较低能级的粒子在受到外界的激发(即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用,如与光子发生非弹性碰撞),吸收了能量时,跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。

2.自发辐射

粒子受到激发而进入的激发态,不是粒子的稳定状态,如存在着可以接纳粒子的较低能级,即使没有外界作用,粒子也有一定的概率,自发地从高能级激发态(E2)向低能级基态(E1)跃迁,同时辐射出能量为(E2-E1)的光子,光子频率 ν=(E2-E1)/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光,不具有相位、偏振态、传播方向上的一致,是物理上所说的非相干光。

3.受激辐射、激光

1917 年,爱因斯坦从理论上指出:除自发辐射外,处于高能级 E2 上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为 ν=(E2-E1)/h 的光子入射时,也会引发粒子以一定的概率,迅速地从能级 E2 跃迁到能级 E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这个过程称为受激辐射。

可以设想,如果大量原子处在高能级 E2 上,当有一个频率 ν=(E2-E1)/h 的光子入射,从而激励 E2 上的原子产生受激辐射,得到两个特征完全相同的光子,这两个光子再激励 E2 能级上原子,又使其产生受激辐射,可得到四个特征相同的光子,这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。

爱因斯坦 1917 提出受激辐射,激光器却在 1960 年问世,相隔 43 年,为什么?主要原因是,普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。当频率一定的光射入工作物质时,受激辐射和受激吸收两过程同时存在,受激辐射使光子数增加,受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时,粒子在各能级上的分布,遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律,处在较低能级 E1 的粒子数必大于处在较高能级 E2 的粒子数。这样光穿过工作物质时,光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势,必须使处在高能级 E2 的粒子数大于处在低能级 E1 的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反,称为粒子数反转分布,简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。

理论研究表明,任何工作物质,在适当的激励条件下,可在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转。若原子或分子等微观粒子具有高能级 E2 和低能级 E1,E2 和 E1 能级上的布居数密度为 N2 和 N1,在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光,与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此,大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时,两种过程的几率相等。在热平衡情况下 N2<N1,所以自发吸收跃迁占优势,光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使 N2>N1,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下,受激发射跃迁占优势。光通过一段长为 l 的处于粒子数反转状态的激光工作物质(激活物质)后,光强增大 eGl 倍。G 为正比于(N2-N1)的系数,称为增益系数,其大小还与激光工作物质的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。如果,把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜(其中至少有一个是部分透射的)构成的光学谐振腔中(图 1),处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中,非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外:轴向传播的光波却能在腔内往返传播,当它在激光物质中传播时,光强不断增长。如果谐振腔内单程小信号增益 G0l 大于单程损耗δ(G0l 是小信号增益系数),则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级,当原子从高能级向低能级跃迁时,会释放出相应能量的光子(所谓自发辐射)。

历史沿革

激光的理论基础起源于物理学家爱因斯坦,1917 年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘光与物质相互作用’。这一理论是说在组成物质的原子中,有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,在高能级上的粒子受到某种光子的激发,会从高能级跳到(跃迁)到低能级上,这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光,而且在某种状态下,能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”,简称激光。

1951 年,美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯设想如果用分子,而不用电子线路,就可以得到波长足够小的无线电波。分子具有各种不同的振动形式,有些分子的振动正好和微波波段范围的辐射相同。问题是如何将这些振动转变为辐射。就氨分子来说,在适当的条件下,它每秒振动 24,000,000,000 次(24GHz),因此有可能发射波长为 1.25 厘米的微波。 他设想通过热或电的方法,把能量泵入氨分子中,使它们处于“激发“状态。然后,再设想使这些受激的分子处于具有和氨分子的固有频率相同的微波束中—这个微波束的能量可以是很微弱的。一个单独的氨分子就会受到这一微波束的作用,以同样波长的束波形式放出它的能量,这一能量又继而作用于另一个氨分子,使它也放出能量。这个很微弱的入射微波束相当于起立脚点对一场雪崩的促发作用,最后就会产生一个很强的微波束。最初用来激发分子的能量就全部转变为一种特殊的辐射。

1953 年 12 月,汤斯和他的学生阿瑟·肖洛终于制成了按上述原理工作的的一个装置,产生了所需要的微波束。这个过程被称为“受激辐射的微波放大”。按其英文的首字母缩写为 M.A.S.E.R,并由之造出了单词“maser”(脉泽)(这样的单词称为首字母缩写词,在技术语中越来越普遍使用)。

1958 年,美国科学家肖洛(Schawlow)和汤斯(Townes)发现了一种神奇的现象:当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象,他们提出了”激光原理”,即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时,都会产生这种不发散的强光–激光。他们为此发表了重要论文,并获得 1964 年的诺贝尔物理学奖。

1960 年 5 月 15 日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为 0.6943 微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

1960 年 7 月 7 日,西奥多·梅曼宣布世界上第一台激光器诞生,梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来激发红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉,所以当红宝石受到刺激时,就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔,使红光可以从这个孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。

前苏联科学家尼古拉·巴索夫于 1960 年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由 p 层、n 层和形成双异质结的有源层构成。其特点是:尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。

激光的中文名称

1964 年 10 月,中国科学院长春光机所主办的《光受激发射情报》(其前身为《光量子放大专刊》)杂志编辑部致信钱学森,请他为 LASER 取一个中文名字,钱学森建议中文名为“激光”。同年 12 月,上海召开第三届光量子放大器学术会议,由严济慈主持,讨论后正式采纳钱学森的建议,将“通过辐射受激发射的光放大”的英文缩写 LASER 正式翻译为“激光”。随后,《光受激发射情报》杂志也改名为《激光情报》。

大事年表

1917 年:爱因斯坦提出“受激发射”理论,一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。

1953 年:美国物理学家 Charles Townes 用微波实现了激光器的前身:微波受激发射放大(英文首字母缩写 maser)。

1957 年:Townes 的博士生 Gordon Gould 创造了“laser”这个单词,从理论上指出可以用光激发原子,产生一束相干光束,之后人们为其申请了专利,相关法律纠纷维持了近 30 年。

1960 年:美国加州 Hughes 实验室的 Theodore Maiman 实现了第一束激光。

1961 年:激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。

1962 年:发明半导体二极管激光器,这是今天小型商用激光器的支柱。

1969 年:激光用于遥感勘测,激光被射向阿波罗 11 号放在月球表面的反射器,测得的地月距离误差在几米范围内。

1971 年:激光进入艺术世界,用于舞台光影效果,以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家 Dennis Gabor 凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。

1974 年:第一个超市条形码扫描器出现。

1975 年:IBM 投放第一台商用激光打印机。

1978 年:飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机,不过价格很高。

1982 年:第一台紧凑碟片(CD)播放机出现,第一部 CD 盘是美国歌手 Billy Joel 在 1978 年的专辑 52nd Street。

1983 年:里根总统发表了“星球大战”的演讲,描绘了基于太空的激光武器。

1988 年:北美和欧洲间架设了第一根光纤,用光脉冲来传输数据。

1990 年:激光用于制造业,包括集成电路和汽车制造。

1991 年:第一次用激光治疗近视,海湾战争中第一次用激光制导导弹。

1996 年:东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器。

2008 年:法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。

2010 年:美国国家核安全管理局(NNSA)表示,通过使用 192 束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘(质量数 2)和氚(质量数 3),解决了核聚变的一个关键困难。

2011 年 3 月,研究人员研制的一种牵引波激光器能够移动物体,未来有望能移动太空飞船。

2013 年 1 月,科学家已经成功研制出可用于医学检测的牵引光束。

2014 年 6 月 5 日美国航天局利用激光束把一段时长 37 秒、名为“你好,世界!”的高清视频,只用了 3.5 秒就成功传回,相当于传输速率达到每秒 50 兆,而传统技术下载需要至少 10 分钟。

基本特性

定向发光

普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播,需要给光源装上一定的聚光装置,如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜,使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光,天生就是朝一个方向射出,光束的发散度极小,大约只有 0.001 弧度,接近平行。1962 年,人类第一次使用激光照射月球,地球离月球的距离约 38 万公里,但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好,看似平行的探照灯光柱射向月球,按照其光斑直径将覆盖整个月球。天文学家相信,外星人或许正使用闪烁的激光作为一种宇宙灯塔来尝试与地球进行联系。

亮度极高

在激光发明前,人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高,与太阳的亮度不相上下,而红宝石激光器的激光亮度,能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高,所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为 0.02 勒克斯(光照度的单位),颜色鲜红,激光光斑肉眼可见。若用功率最强的探照灯照射月球,产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯,人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出,能量密度自然极高。

激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的,而且它是人类创造的。

激光的颜色

激光的颜色取决于激光的波长,而波长取决于发出激光的活性物质,即被刺激后能产生激光的那种材料。刺激红宝石就能产生深玫瑰色的激光束,它应用于医学领域,比如用于皮肤病的治疗和外科手术。公认最贵重的气体之一的氩气能够产生蓝绿色的激光束,它有诸多用途,如激光印刷术,在显微眼科手术中也是不可缺少的。半导体产生的激光能发出红外光,因此我们的眼睛看不见,但它的能量恰好能”解读”激光唱片,并能用于光纤通讯。但有的激光器可调节输出激光的波长。

激光分离技术

激光分离技术主要指激光切割技术和激光打孔技术。激光分离技术是将能量聚焦到微小的空间,可获得 105~1015W/cm2 极高的辐照功率密度,利用这一高密度的能量进行非接触、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下,几乎可以对任何材料实现激光切割和打孔。激光切割技术是一种摆脱传统的机械切割、热处理切割之类的全新切割法,具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点。激光打孔方法作为在固体材料上加工孔方法之一,已成为一项拥有特定应用的加工技术,主要运用在航空、航天与微电子行业中。

安全防护

激光波长与眼睛伤害:在激光的伤害中,以机体中眼睛的伤害最为严重。波长在可见光和近红外光的激光,眼屈光介质的吸收率较低,透射率高,而屈光介质的聚焦能力(即聚光力)强。强度高的可见或近红外光进入眼睛时可以透过人眼屈光介质,聚积光于视网膜上。此时视网膜上的激光能量密度及功率密度提高到几千甚至几万倍,大量的光能在瞬间聚中于视网膜上,致视网膜的感光细胞层温度迅速升高,以至使感光细胞凝固变性坏死而失去感光的作用。激光聚于感光细胞时产生过热而引起的蛋白质凝固变性是不可逆的损伤。一旦损伤以后就会造成眼睛的永久失明。

激光的波长不同对眼球作用的程度不同,其后果也不同。远红外激光对眼睛的损害主要以角膜为主,这是因为这类波长的激光几乎全部被角膜吸收,所以角膜损伤最重,主要引起角膜炎和结膜炎,患者感到眼睛痛,异物样刺激、怕光、流眼泪、眼球充血,视力下降等。发生远红外光损伤时应遮住保护伤眼,防止感染发生,对症处理。

紫外激光对眼的损伤主要是角膜和晶状体,此波段的紫外激光几乎全部被眼的晶状体吸收,而中远以角膜吸收为主,因而可致晶状体及角膜混浊。

激光器通常都会标示有着安全等级编号的激光警示标签:

第 1 级 (Class I/1):通常是因为光束被完全的封闭在内,例如在 CD 或 DVD 播放器内。

第 2 级 (Class II/2):在正常使用状况下是安全的,这类设备通常功率低于 1mW,例如激光指示器。

第 3 a/R 级 (Class IIIa/3R):功率通常会达到 5mW,注视这种光束几秒钟会对视网膜造成立即的伤害。

第 3b/B 级 (Class IIIb/3B):在暴露下会对眼睛造成立即的损伤。

第 4 级 (Class IV/4):激光会烧灼皮肤,即使散射的激光光(200W 以上)也会对眼睛和皮肤造成伤害。利用激光的热能,可以制造新型的烹饪工具。

以上情况是指在激光直射眼睛的情况下所发生的。如果间接观察激光,任何 200W 以下的激光的丁达尔效应都不会对眼睛造成影响。

法律限制

中华人民共和国的《中国民用航空法》、《民用机场管理条例》规定,禁止在民用机场净空保护区域“设置影响民用机场目视助航设施使用或者飞行员视线的灯光、标志或者物体”,使用激光照射飞行器最高可处 10 万元罚款。

自 2012 年起,美国开始把用激光束照射飞机的行为列为犯罪,违者最多可被判 5 年监禁并处以 25 万美元罚款。

2019 年,日本警方逮捕了一名用激光照射横田基地美军飞机的男子,并对其住所进行了搜查,发现了多个激光笔。

国内前景

激光功率已不足以描述切割能力的大小,亮度(Brightness)才是。亮度的定义是“单位面积单位立体角的激光功率”。

对比 CO2 激光器、碟片激光器和光纤激光器,可以得出这样的结论:直到 5 千瓦,以光纤激光的亮度最大,切割金属板最快最厚的当属光纤激光。但实际上切割厚板尚不如 CO2 激光,尽管碳钢对近红外的 1.07 掺镱光纤激光的吸收率数倍于中红外 10.6 的 CO2 激光,但 10 倍于光纤激光波长的 CO2 激光之切缝比光纤的宽得多(一般 2mm),氧气易于吹入。 这就是 CO2 激光 46 年来一直独占固体激光之鳌头的缘由。第一,国产激光切割机的量产与自主开发力度的加大,外国一线公司在华本土化的生产,缩小了二者的产品差距与价格差距。用户对国产机的认同度不断提高,其在 2010 年国内市场的占比高达 80%。

第二,2010 年我国千瓦以上大功率 CO2 激光切割机销量达 1000 台,占全球市场的 20%-25%。上海团结普瑞玛、大族激光、武汉法利莱、奔腾楚天等一线厂商都有大幅的增长。最多一家竟占了国内市场的 30%。

市场兴旺得力于扩大内需,但主要是这种加工手段的魅力,特别在铁路钢铁、工程机械、汽车造船、航空航天和军工等高端市场的旺盛需求。

2014 年市场难料,但可深信一点,2013 年大起,2014 年绝不会大落,作为制造大国的中国,保有量不会低于 10000 台。须知 2000 年前的 10 年我国的总量才 280 台。

第三,我国大功率激光切割装备的产业链远未形成,尚无自主知识产权的新型大功率激光器,无论激光器还是切割机的关键元部件都得依赖进口。价昂的电容切割头及作为耗材的光学镜片等的研发生产,迄今都无人问津。成不了国内配套,进军海外市场不过是梦想。唯有待到国产整机批量出口之日,才是我国这一产业的形成之时。

第四,光纤激光是当前的热门话题。ROFIN 与 TRUMPF 分别收购 NUFERN 与 SPI 公司发展光纤激光已三年,今春上海慕尼黑激光展上,ROFIN 展出了 2KW 光纤激光器,但全球高功率光纤激光器市场依然是 IPG 一统天下。继上年 SALVAGNINI 与 LASER PHOTONICS 等公司展出用其的光纤激光器之切割机后,2010 年 11 月在亚特兰大的 FABTECH 与汉诺威的 EUROBLECH 展会上又推出愈来愈多的光纤激光切割机。欣喜的是一批海归博士矢志回国创业,创建了武汉锐科光纤激光、西安炬光等公司,研发生产高功率光纤激光器与二极管激光泵源,相信有自主知识产权的 4KW 连续波光纤激光器不久将会呈现在国人面前。

发展前景

激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,特别适用于自动化加工,激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备,已成为企业实行适时生产的关键技术,为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。透过将激光束集中在单分子上,ETH Zurich 的科学家只用单个分子就产生激光运作的基本条件──受激发射(stimulated emission)。由于在低温下,分子会增加它们的外表面积(apparent surface area)来跟光线互动,因此研究人员将分子冷却到摄氏零下 272 度,也就是只比绝对零度高 1 度两条光束瞄准单分子

在受控制的模式下,利用一道激光束来让单个分子进入量子态(controlled fashion),研究人员如此能明显的缩减或是放大第二道激光束。这种运作模式与传统的晶体管如出一辙;晶体管内的电位(electrical potential)能用来调变第二个信号。不过 ETH Zurich 并未透露其单分子的化学方程式。由于其性能与散热效能的优势,光子运算技术是科学家们长期追求的目标;光子(photon)不仅发热比电子少,也能达到高出相当多的数据传输速率。不过光通讯技术却只能逐步地从长距离通讯,进展到短距离通讯,再进入单系统中。

应用领域

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:

1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。

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

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。2013 年使用的激光器有 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。

激光笔:又称为激光指示器、指星笔等,是把可见激光设计成便携、手易握、激光模组(二极管)加工成的笔型发射器。常见的激光笔有红光(650-660nm, 635nm)、绿光(515-520nm, 532nm)、蓝光(445-450nm)和蓝紫光(405nm)等,功率通常以毫瓦为单位。通常在会报、教学、导赏人员都会使用它来投映一个光点或一条光线指向物体,但激光会伤害到眼睛,任何情况下都不应该让激光直射眼睛。

激光治疗:可以用于手术开刀,减轻痛苦,减少感染。

激光打标:在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用,2013 年使用的激光器有 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 2008 年的 400w 提高到了 800w 至 1000w。国内 2013 年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。2013 年使用的激光器多以 YAG 激光器、CO2 激光器为主,也有一些准分激光器、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。2013 年使用的激光器多以 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。2013 年使用的激光器多以 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。2013 年使用的激光器多以大功率 YAG 激光器、CO2 激光器为主。

激光成像:利用激光束扫描物体,将反射光束反射回来,得到的排布顺序不同而成像。用图像落差来反映所成的像。激光成像具有超视距的探测能力,可用于卫星激光扫描成像,未来用于遥感测绘等科技领域。

研究进展

操作激光

美国得克萨斯州大学的科学家研制出世界上功率最强大的可操作激光,这种激光每万亿分之一秒产生的能量是美国所有发电厂发电量的 2000 倍,输出功率超过 1 拍瓦-相当于 10 的 15 次方瓦。这种激光第一次启动是在 1996 年。马丁尼兹说,希望他的项目能够在 2008 年打破这一纪录,也就是说,让激光的功率达到 1.3 拍瓦到 1.5 拍瓦之间。超级激光项目负责人麦卡尔·马丁尼兹表示:“我们可以让材料进入一种极端状态,这种状态在地球上是看不到的。我们打算在德州观察的现象相当于进入太空观察一颗正在爆炸的恒星。”

激光“抓住”碳纳米管并使之移动

美国伊利诺伊州纽约大学的科学家和一家光学公司的科研人员试验了一种名为“光学捕获”的技术,试图更便利地操纵碳纳米管。光学捕获技术就是利用激光能捕获微小粒子的能力,在移动激光束时使微小粒子跟随激光移动。由于激光能捕获微小粒子,因此在它移动时就会像镊子一样,“夹”着微小粒子移动。科学家把这种现象称为“激光镊子”。2013 年时生物学家已能用激光镊子夹住单个细胞。例如,从血液中分离出单个血红细胞用于研究镰刀状血红细胞贫血症或疟疾治疗研究。激光镊子能“夹”住微小粒子,是因为激光束中心强度大于边缘强度,因此当激光束照射一个微小粒子时,从中心折射的光线要比向前的光线多。

当折射的光线获得向外的冲力时,粒子上的反作用力就使冲力指向激光束中心,因此粒子总是被吸引到激光束中心。如果粒子非常小且具有很小的重力或摩擦力,当激光束移动时,粒子就会跟着移动。

然而,激光镊子移动的血细胞直径有几微米,但 2013 年以前要移动直径仅 2~20 纳米的碳纳米管会麻烦得多。因此想利用单个激光镊子移动大量碳纳米管到一定位置,可能会与用原子力显微镜一样费事。

为此,科学家用一种液晶激光分离器把激光束分成 200 个可单独控制的小激光束,研究人员可以控制这些激光束使之形成三角形、四边形、五边形和六边形等形状,从而移动大量的纳米管群,使它们在显微镜载片表面定位,达到移动碳纳米管的目的。

光学捕捉技术的成功,受到美国加利福尼亚大学的纳米管专家、物理学家亚历克斯·泽特尔的称赞,他说,因为 2013 年还没有一种可靠的技术能操纵大量的纳米管,而这种新的光学捕获技术有可能应用于工业。

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