激光的用途...........教学大纲

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激光的用途...........教学大纲

来自：MACD论坛(bbs.shudaoyoufang.com) 作者：苏北人 浏览：21976 回复：57

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重[1]大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。

[ 本帖最后由 苏北人 于 2010-9-4 17:36 编辑 ]

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目前激光已广泛应用到激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等）、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微雕、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。 　　经过30多年的发展，激光现在几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研的方方面面：激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮……，在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用。

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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、微调等各种加工工艺。 　　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。目前使用的激光器有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，目前使用的激光器有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5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前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。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、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。目前使用的激光器多以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。目前使用的激光器多以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。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。 　　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 皮瓦——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皮瓦到1.5皮瓦之间。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。”

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激光“抓住”碳纳米管并使之移动 　　最近，科学家开发出用激光“抓住”碳纳米管并使之移动的新技术。这种技术可以为芯片制造工程师提供一种把纳米元件移动到预定位置的新方法，从而制造出以纳米管为基础的微型芯片。 　　直径只有几纳米、长约100纳米的碳纳米管具有半导体性能，这意味着碳纳米管可能在某天成为低功率超快速计算机芯片的基础。迄今，安装碳纳米管的惟一方法是利用一种名为原子力显微镜的昂贵设备，设法推动纳米管至预定位置，然而这种方法操纵起来十分费事。 　　为了改变这种状况，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”。现在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，但现在要移动直径仅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，因为目前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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激光在医学中的应用
　　激光在医学上的应用主要分三类：激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗，其中激光治疗又分为：激光手术治疗、弱激光生物刺激作用的非手术治疗和激光的光动力治疗。

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激光美容
　　(1)激光在美容界的用途越来越广泛。激光是通过产生高能量，聚焦精确，具有一定穿透力的单色光，作用于人体组织而在局部产生高热量从而达到去除或破坏目标组织的目的，各种不同波长的脉冲激光可治疗各种血管性皮肤病及色素沉着，如太田痣、鲜红斑痣、雀斑、老年斑、毛细血管扩张等，以及去纹身、洗眼线、洗眉、治疗瘢痕等；而近年来一些新型的激光仪，高能超脉冲CO2激光，铒激光进行除皱、磨皮换肤、治疗打鼾，美白牙齿等等，取得了良好的疗效，为激光外科开辟越来越广阔的领域。 　　(2)激光手术有传统手术无法比拟的优越性。首先激光手术不需要住院治疗，手术切口小，术中不出血，创伤轻，无瘢痕。例如：眼袋的治疗传统手术法存在着由于剥离范围广、术中出血多，术后愈合慢，易形成瘢痕等缺点，而应用高能超脉冲CO2激光仪治疗眼袋，则以它术中不出血，不需缝合，不影响正常工作，手术部位水肿轻，恢复快，无瘢痕等优点，令传统手术无法比拟。而一些由于出血多而无法进行的内窥镜手术，则可由激光切割代替完成。(注：有一定的适应范围) 　　(3)激光在血管性皮肤病以及色素沉着的治疗中成效卓越。使用脉冲染料激光治疗鲜红斑痣，疗效显著，对周围组织损伤小，几乎不落疤。它的出现，成为鲜红斑痣治疗史上的一次革命，因为鲜红斑痣治疗史上，放射、冷冻、电灼、手术等方法，其瘢痕发生率均高，并常出现色素脱失或沉着。激光治疗血管性皮肤病是利用含氧血红蛋白对一定波长的激光选择性的吸收，而导致血管组织的高度破坏，其具有高度精确性与安全性，不会影响周围邻近组织。因此，激光治疗毛细血管扩张也是疗效显著。 　　此外，由于可变脉冲激光等相继问世，使得不满意纹身的去除，以及各类色素性皮肤病如太田痣，老年斑等的治疗得到了重大突破。这类激光根据选择性光热效应理论，(即不同波长的激光可选择性地作用于不同颜色的皮肤损害)，利用其强大的瞬间功率，高度集中的辐射能量及色素选择性，极短的脉宽，使激光能量集中作用于色素颗粒、将其直接汽化、击碎，通过淋巴组织排出体外，而不影响周围正常组织，并且以其疗效确切，安全可靠，无瘢痕，痛苦小而深入人心。 　　(4)激光外科开创了医学美容的新纪元。高能超脉冲CO2激光磨皮换肤术开拓了美容外科的新技术。它利用高能量，极短脉冲的激光，使老化、损伤的皮肤组织瞬间被汽化，不伤及周围组织，治疗过程中几乎不出血，并可精确的控制作用深度。其效果得到国际医学整形美容界充分肯定，被誉为“开创了医学美容新纪元”；此外，更有高能超脉冲CO2激光仪治疗眼袋、打鼾、甚至激光美白牙齿等，以其安全精确的疗效，简便快捷的治疗在医学美容界创造了一个又一个奇迹。激光美容使得医学美容向前迈进了一大步，并且赋予医学美容更新的内涵。

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激光冷却
　　激光冷却(laser cooling)利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。这一重要技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数，用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标(原子钟)，后来却成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法。虽然早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用，只是在激光器发明之后，才发展了利用光压改变原子速度的技术。人们发现，当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束中运动时，由于多普勒效应，原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子，而对与其相同方向行进的光子吸收几率较小;吸收后的光子将各向同性地自发辐射。平均地看来，两束激光的净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力，从而使原子的运动减缓(即冷却下来)。1985年美国国家标准与技术研究院的菲利浦斯(willam D.Phillips)和斯坦福大学的朱棣文(Steven Chu)首先实现了激光冷却原子的实验，并得到了极低温度(24μK)的钠原子气体。他们进一步用三维激光束形成磁光讲将原子囚禁在一个空间的小区域中加以冷却，获得了更低温度的“光学粘胶”。之后，许多激光冷却的新方法不断涌现，其中较著名的有“速度选择相干布居囚禁”和“拉曼冷却”，前者由法国巴黎高等师范学院的柯亨-达诺基(Claud Cohen-Tannodji)提出，后者由朱棣文提出，他们利用这种技术分别获得了低于光子反冲极限的极低温度。此后，人们还发展了磁场和激光相结合的一系列冷却技术，其中包括偏振梯度冷却、磁感应冷却等等。朱棣文、柯亨-达诺基和菲利浦斯三人也因此而获得了1997年诺贝尔物理学奖。激光冷却有许多应用，如:原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。

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激光光谱
　　激光光谱（laser spectra）以激光为光源的光谱技术。与普通光源相比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，是用来研究光与物质的相互作用，从而辨认物质及其所在体系的结构、组成、状态及其变化的理想光源。激光的出现使原有的光谱技术在灵敏度和分辨率方面得到很大的改善。由于已能获得强度极高、脉冲宽度极窄的激光，对多光子过程、非线性光化学过程以及分子被激发后的弛豫过程的观察成为可能，并分别发展成为新的光谱技术。激光光谱学已成为与物理学、化学、生物学及材料科学等密切相关的研究领域。

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激光传感器
　　激光传感器（laser transducer）利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。激光是最准的尺。

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激光雷达
　　激光雷达（laser radar）是指用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。

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激光武器
　　激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成，目前通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点，但也存在易受天气和环境影响等弱点。激光武器已有30多年的发展历史，其关键技术也已取得突破，美国、俄罗斯、法国、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验。目前低能激光武器已经投入使用，主要用于干扰和致盲较近距离的光电传感器，以及攻击人眼和一些增强型观测设备；高能激光武器主要采用化学激光器，按照现有的水平，今后5—10年内可望在地面和空中平台上部署使用，用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。

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中国激光研究新进展对军事科学意义重大
　　据中国科学院消息，经过中国科学院物理所王树铎研究开发小组人员的努力，首次实现了对大面积准分子激光能量的直接测量，其有效测量直径达100mm，在热释电型激光探测器的尺寸上为世界之最。经过与中国原子能科学研究院的有关专家合作以及在国家实验室进行的试验表明，此系统在不同能量区域(10-20J和100-200mJ)均达到了预期的技术指标。 　　据介绍，激光聚变研究是一个很有发展前途的能源开发课题，激光可控热核聚变反应必将给人类生活带来新的转折。激光聚变在军事科学研究中也具有重要意义。在激光聚变实验，特别是在间接驱动聚变研究中，为了生产强的辐射驱动场，人们正在追求高的X光转换效率，良好的辐射输运环境，最佳的辐射驱动场。在这些研究过程中，对准分子激光的能量进行直接监测和研究是非常重要的。 　　该项研究成果表明，该项目的研究开发除了有实力对已开发的产品市场不断开拓外，对国家正在发展的应用需求项目也具备了承担和开发能力。

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　　现代社会中，信息的作用越来越重要，谁掌握的信息越迅速、越准确、越丰富，谁也就更加掌握了主动权，也就有更多成功的机会。激光的出现引发了一场信息革命，从VCD、DVD光盘到激光照排，激光的使用大大提高了效率，以及方便人们保存和提取信息，“激光革命” 意义非凡。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。目前，激光技术已经融入我们的日常生活之中了，在未来的岁月中，激光会带给我们更多的奇迹。 　　激光是现代新光源，具有方向性好、亮度高、单色性好等特点而被广泛应用，如激光测距、激光钻孔和切割、地震监测、激光手术、激光唱头等。激光武器产生的独特烧蚀效应、激波效应和辐射效应，已被广泛运用于防空、反坦克、轰炸机等方面，并已显示了它的神奇威力。由于激光头及其系列产品凝聚着光学、电子、精密机械、微电脑、新材料、微细加工等高新技术之精华，是当今最先端科技的结晶，应用前景非常广阔.

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激光测速
　　激光测速是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距， 　　取得在该一时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。

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　　激光通信，是激光在大气空间传输的一种通信方式。激光大气通信的发送设备主要由激光器（光源）、光调制器、光学发射天线（透镜）等组成；接收设备主要由光学接收天线、光检测器等组成。

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激光50年发展时间表
　　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投放第一台商用机光打印机 　　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。