激光技术激光技术原理

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发布于2023-05-06

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激光技术

激光是20世纪60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特点而得到广泛应用.激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一，现在已开发出20多种激光加工技术。

基本信息　　激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。现已发现的激光工作物质有几千种，波长范围从软X射线到远红外。激光技术的核心是激光器，激光器的种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。根据不同的使用要求，采取一些专门的技术提高输出激光的光束质量和单项技术指标，比较广泛应用的单元技术有共振腔设计与选模、倍频、调谐、Q开关、锁模、稳频和放大技术等。　　

为了满足军事应用的需要，主要发展了以下5项激光技术：①激光测距技术。它是在军事上最先得到实际应用的激光技术。20世纪60年代末，激光测距仪开始装备部队,现已研制生产出多种类型,大都采用钇铝石榴石激光器，测距精度为±5米左右。由于它能迅速准确地测出目标距离，广泛用于侦察测量和武器火控系统。②激光制导技术。激光制导武器精度高、结构比较简单、不易受电磁干扰，在精确制导武器中占有重要地位。70年代初，美国研制的激光制导航空炸弹在越南战场首次使用。80年代以来，激光制导导弹和激光制导炮弹的生产和装备数量也日渐增多。③激光通信技术。激光通信容量大、保密性好、抗电磁干扰能力强。光纤通信已成为通信系统的发展重点。机载、星载的激光通信系统和对潜艇的激光通信系统也在研究发展中。④强激光技术。用高功率激光器制成的战术激光武器，可使人眼致盲和使光电探测器失效。利用高能激光束可能摧毁飞机、导弹、卫星等军事目标。用于致盲、防空等的战术激光武器，已接近实用阶段。用于反卫星、反洲际弹道导弹的战略激光武器，尚处于探索阶段。⑤激光模拟训练技术。用激光模拟器材进行军事训练和作战演习，不消耗弹药，训练安全，效果逼真。现已研制生产了多种激光模拟训练系统，在各种武器的射击训练和作战演习中广泛应用。此外，激光核聚变研究取得了重要进展，激光分离同位素进入试生产阶段，激光引信、激光陀螺已得到实际应用。

激光激光原理:

激光英文全名为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)。于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光。　　

科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量；而接著，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生光子，引发一连串的「连锁反应」，并且都朝同一个方前进，形成强烈而且集中朝向某个方向的光；因此强的激光甚至可用作切割钢板！

激光的特性:

激光被广泛应用是因为它的特性。激光几乎是一种单色光波，频率范围极窄，又可在一个狭小的方向内集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。以红宝石激光器为例，它输出脉冲的总能量不够煮熟一个鸡蛋，但却能在3毫米的钢板上鉆出一个小孔。激光拥有上述特性，并不是因为它有与别不同的光能，而是它的功率密度十分高，这就是激光被广泛应用的原因。　　

激光有以下三大特性：

单色波长　　

同调性　　

平行光束

激光的应用激光加工技术:

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。　　

热加工和冷加工均可应用在金属和非金属材料，进行切割，打孔，刻槽，标记等.热加工金属材料进行焊接，表面处理，生产合金，切割均极有利.冷加工则对光化学沉积，激光快速成形技术，激光刻蚀，掺染和氧化都很合适。

激光快速成型：

用激光制造模型时用的材料是液态光敏树脂，它在吸收了紫外波段的激光能量后便发生凝固，变化成固体材料。把要制造的模型编成程序，输入到计算机。激光器输出来的激光束由计算机控制光路系统，使它在模型材料上扫描刻划，在激光束所到之处，原先是液态的材料凝固起来。激光束在计算机的指挥下作完扫描刻划，将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，造出模型。所以，用这个办法制造模型，速度快，造出来的模型又精致。该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。

激光切割：

激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。但激光在工业领域中的应用是有局限和缺点的，比如用激光来切割食物和胶合板就不成功，食物被切开的同时也被灼烧了，而切割胶合板在经济上还远不合化算。　　

随着激光产业的飞速发展，相关的激光技术与激光产品也日趋成熟。在激光切割机领域，目前呈现出YAG固体激光切割机、CO2激光切割机双足鼎力，光纤激光切割机后来居上的局势。

YAG固体激光切割机具有价格低、稳定性好的特点，但能量效率低一般<3%，目前产品的输出功率大多在600W以下，由于输出能量小，主要用于打孔和点焊及薄板的切割。它的绿色的激光束可在脉冲或连续波的情况下应用，具有波长短、聚光性好适于精密加工特别是在脉冲下进行孔加工最为有效，也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固体激光切割机激光器的波长不易被非金属吸收，故不能切割非金属材料，且YAG固体激光切割机需要解决的是提高电源的稳定性和寿命，即要研制大容量、长寿命的光泵激励光源，如采用半导体光泵可使能量效率大幅度地增长。　

CO2激光切割机，可以稳定切割20mm以内的碳钢，10mm以内的不锈钢，8mm以下的铝合金。CO2激光器的波长为10.6um，比较容易被非金属吸收，可以高质量地切割木材、亚克力、PP、有机玻璃等非金属材料，但是CO2激光的光电转化率只有10%左右。CO2激光切割机在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体N2的喷嘴，用以提高切割速度和切口的平整光洁。为了提高电源的稳定性和寿命，对于CO2气体激光要解决大功率激光器的放电稳定性。根据国际安全标准，激光危害等级分4级，CO2激光属于危害最小的一级。　　

光纤激光切割机由于它可以通过光纤传输，柔性化程度空前提高，故障点少，维护方便，速度奇快，所以在切割4mm以内薄板时光纤切割机有着很大的优势，；但是受固体激光波长的影响它在切割厚板时质量较差。光纤激光器激光切割机的波长为1.06um，不易被非金属吸收，故不能切割非金属材料。光纤激光的光电转化率高达25%以上，在电费消耗、配套冷却系统等方面光纤激光的优势相当明显。根据国际安全标准，激光危害等级分4级，光纤激光由于波长短对人体由于是眼睛的伤害大，属于危害最大的一级，出于安全考虑，光纤激光加工需要全封闭的环境。光纤激光切割机作为一种新兴的激光技术，普及程度远远不如CO2激光切割机。

激光焊接

激光束照射在材料上，会把它加热至融熔，使对接在一起的组件接合在一起，即是焊接。激光焊接，用比切割金属时功率较小的激光束，使材料熔化而不使其气化，在冷却后成为一块连续的固体结构。激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。由于激光能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。因为用激光焊接是不需要任何焊料的，所以排除了焊接组件受污染的可能;

其次，激光束可被光学系统聚成直径很细的光束，换言之，激光可以作成非常精细的焊枪，做精密焊接工作;还有激光焊接与组件不会直接接触，亦即这是非接触式的焊接，因而材料质地脆弱也不打紧，还可以对远离我们身边的组件作焊接，也可以把放置在真空室内的组件焊接起来。因为激光焊接有这些特点，所以它在微电子工业中尤其受欢迎。

激光雕刻:

用激光雕刻刀作雕刻，比用普通雕刻刀更方便，更迅速。用普通雕刻刀在坚硬的材料上，比如在花冈巖、钢板上作雕刻，或者是在一些比较柔软的材料，比如皮革上作雕刻，就比较吃力，刻一幅图案要花比较长的时间。如果使用激光雕刻则不同，因为它是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料气化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种雕刻方法。它根本就没有和材料接触，材料硬或者柔软，并不妨碍雕刻的速度。所以激光雕刻技术是激光加工最大的应用领域之一。用这种雕刻刀作雕刻不管在坚硬的材料，或者是在柔软的材料上雕刻，刻划的速度一样。倘若与计算机相配合，控制激光束移动，雕刻工作还可以自动化。把要雕刻的图案放在光电扫描仪上，扫描仪输出的讯号经过计算机处理后，用来控制激光束的动作，就可以自动地在木板上，玻璃上，皮革上按照我们的图样雕刻出来。同时，聚焦起来的激光束很细，相当于非常灵巧的雕刻刀，雕刻的线条细，图案上的细节也能够给雕刻出来。激光雕刻可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。激光雕刻是近年巳发展至可实现亚微米雕刻，已广泛用于微电子工业和生物工程。

激光打孔:

在组件上开个小孔是件很常见的事。但是，如果要求在坚硬的材料上，例如在硬质合金上打大量0.1毫米到几微米直径的小孔。用普通的机械加工工具恐怕是不容易办到，即使能够做到，加工成本也会很高。激光有很好的同调性，用光学系统可以把它聚焦成直径很微少的光点(小于一微米)，这相当于用来鉆孔的微型鉆头。其次，激光的亮度很高，在聚焦的焦点上的激光能量密度(平均每平方米面积上的能量)会很高，普通一台激光器输出的激光，产生的能量就可以高达109 焦耳/厘米2，足以让材料熔化并气化，在材料上留下一个小孔，就像是鉆头鉆出来的。但是，激光鉆出的孔是圆锥形的，而不是机械鉆孔的圆柱形，这在有些地方是很不方便的。

激光蚀刻:

激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成本，可加工0.125～1微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。

激光的发展激光手术：

激光能产生高能量﹑聚焦精确的单色光﹐具有一定的穿透力﹐作用于人体组织时能在局部产生高热量。激光手术就是利用激光的这一特点﹐去除或破坏目标组织﹐达到治疗的目的。主要包括激光切割和激光换肤。

激光武器：

激光武器有它的独特性，令它被广泛应用于防空，反坦克，轰炸机自卫等军事用途.激光之所以能成为威力强大的武器，是因为它有三个层次的破坏能力: 　　

1.烧蚀效应跟激光热加工原理一样，当高能激光束射到目标时，激光的能量会被目标的材料吸收，转化为热能.这些热能足以令目标部分或完全穿孔，断裂，熔化，蒸发，甚至产生爆炸. 　　

2.激波效应如目标材料被气化，目标材料会在极短时间内产生反冲作用，形成压缩波使材料表面层裂碎开，碎片向外飞时造成进一步破坏. 　　

3.辐射效应目标材料气化的同时会形成等离子体云，能产生辐射紫外线及X光线，使目标内部的电子零件被破坏。

激光能源：

激光还可应用于核能发电上。世界上现在建成的核发电站使用的核燃料是铀，使用氚核燃料的研究尚未成功。从研究所得，氚核燃料比铀核燃料更加耐烧， 1公斤氚核燃料燃烧产生的能量比铀核燃料高3倍多。更有吸引力的是氚核燃料在地球上的贮量大。1公斤海水中含有0.03克氚，地球上的海洋中就装有1021 公斤海水;或者说，地球的海洋中就贮藏有1017 公斤氚，把它开发出来做燃料，就相当于给我们提供了10万亿亿(1017) 吨煤，足够人类用上几亿年，既然氚核燃料这么好.为甚么现在还不用? 问题就在于把它点火燃烧不是一件容易做到的事。划一根火柴燃烧的温度就可以把纸片，汽油点著火，要让这种核燃料著火，则需要亿度的高温。激光是目前较有可能达到这个点火温度的技术。

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