激光技術

　　激光技術

　　激光是20世紀60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好等特點而得到廣泛應用。激光加工是激光應用最有發展前途的領域之一，現在已開發出20多種激光加工技術。

　　1歷史發展

　　激光具有單色性好、方向性強、亮度高等特點。現已發現的激光工作物質有幾千種，波長范圍從軟X射線到遠紅外。 激光技術的核心是激光器，激光器的種類很多，可按工作物質、激勵方式、運轉方式、工作波長等不同方法分類。根據不同的使用要求，采取一些專門的技術提高輸出激光的光束質量和單項技術指標，比較廣泛應用的單元技術有共振腔設計與選模、倍頻、調諧、Q開關、鎖模、穩頻和放大技術等。

　　為了滿足軍事應用的需要，主要發展了以下5項激光技術：①激光測距技術。它是在軍事上最先得到實際應用的激光技術。20世紀60年代末，激光測距儀開始裝備部隊,現已研制生產出多種類型,大都采用釔鋁石榴石激光器，測距精度為±5米左右。由于它能迅速準確地測出目標距離，廣泛用于偵察測量和武器火控系統。②激光制導技術。激光制導武器精度高、結構比較簡單、不易受電磁干擾，在精確制導武器中占有重要地位。70年代初，美國研制的激光制導航空炸彈在越南戰場首次使用。80年代以來，激光制導導彈和激光制導炮彈的生產和裝備數量也日漸增多。③激光通信技術。激光通信容量大、保密性好、抗電磁干擾能力強。光纖通信已成為通信系統的發展重點。機載、星載的激光通信系統和對潛艇的激光通信系統也在研究發展中。④強激光技術。用高功率激光器制成的戰術激光武器，可使人眼致盲和使光電探測器失效。利用高能激光束可能摧毀飛機、導彈、衛星等軍事目標。用于致盲、防空等的戰術激光武器，已接近實用階段。用于反衛星、反洲際彈道導彈的戰略激光武器，尚處于探索階段。⑤激光模擬訓練技術。用激光模擬器材進行軍事訓練和作戰演習，不消耗彈藥，訓練安全，效果逼真。現已研制生產了多種激光模擬訓練系統，在各種武器的射擊訓練和作戰演習中廣泛應用。此外，激光核聚變研究取得了重要進展，激光分離同位素進入試生產階段，激光引信、激光陀螺已得到實際應用。

　　2原理

　　激光英文全名為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)。 于1960年面世，是一種因刺激產生輻射而強化的光。

　　科學家在電管中以光或電流的能量來撞擊某些晶體或原子易受激發的物質，使其原子的電子達到受激發的高能量狀態，當這些電子要回復到平靜的低能量狀態時，原子就會射出光子，以放出多余的能量;而接著，這些被放出的光子又會撞擊其它原子，激發更多的原子產生光子，引發一連串的「連鎖反應」，并且都朝同一個方前進，形成強烈而且集中朝向某個方向的光;因此強的激光甚至可用作切割鋼板!

　　3特性

　　激光被廣泛應用是因為它的特性。激光幾乎是一種單色光波，頻率范圍極窄，又可在一個狹小的方向內集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以對各種材料進行打孔。以紅寶石激光器為例，它輸出脈沖的總能量不夠煮熟一個雞蛋，但卻能在3毫米的鋼板上鉆出一個小孔。激光擁有上述特性，并不是因為它有與別的光不同的光能，而是它的功率密度十分高，這就是激光被廣泛應用的原因。

　　激光有以下三大特性：

　　· 單色波長

　　· 同調性

　　· 平行光束

　　4應用

　　激光加工技術

　　激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已成為企業實行適時生產的關鍵技術，為優質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。

　　熱加工和冷加工均可應用在金屬和非金屬材料，進行切割，打孔，刻槽，標記等.熱加工金屬材料進行焊接，表面處理，生產合金，切割均極有利.冷加工則對光化學沉積，激光快速成形技術，激光刻蝕，摻染和氧化都很合適。

　　激光快速成型

　　用激光制造模型時用的材料是液態光敏樹脂， 它在吸收了紫外波段的激光能量后便發生凝固， 變化成固體材料。把要制造的模型編成程序， 輸入到計算機。激光器輸出來的激光束由計算機控制光路系統，使它在模型材料上掃描刻劃， 在激光束所到之處， 原先是液態的材料凝固起來。激光束在計算機的指揮下作完掃描刻劃， 將光敏聚合材料逐層固化，精確堆積成樣件，造出模型。所以， 用這個辦法制造模型， 速度快， 造出來的模型又精致。該技術已在航空航天、電子、汽車等工業領域得到廣泛應用。

　　激光切割

　　激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。脈沖激光適用于金屬材料，連續激光適用于非金屬材料，后者是激光切割技術的重要應用領域。但激光在工業領域中的應用是有局限和缺點的，比如用激光來切割食物和膠合板就不成功，食物被切開的同時也被灼燒了，而切割膠合板在經濟上還遠不合化算。

　　隨著激光產業的飛速發展，相關的激光技術與激光產品也日趨成熟。在激光切割機領域。呈現出YAG固體激光切割機、CO2激光切割機雙足鼎力，光纖激光切割機后來居上的局勢。YAG固體激光切割機具有價格低、穩定性好的特點，但能量效率低一般<3%。產品的輸出功率大多在600W以下，由于輸出能量小，主要用于打孔和點焊及薄板的切割。它的綠色的激光束可在脈沖或連續波的情況下應用，具有波長短、聚光性好適于精密加工特別是在脈沖下進行孔加工最為有效，也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固體激光切割機激光器的波長不易被非金屬吸收，故不能切割非金屬材料，且YAG固體激光切割機需要解決的是提高電源的穩定性和壽命，即要研制大容量、長壽命的光泵激勵光源，如采用半導體光泵可使能量效率大幅度地增長。

　　CO2激光切割機，可以穩定切割20mm以內的碳鋼，10mm以內的不銹鋼，8mm以下的鋁合金。CO2激光器的波長為10.6um，比較容易被非金屬吸收，可以高質量地切割木材、亞克力、PP、有機玻璃等非金屬材料，但是CO2激光的光電轉化率只有10%左右。CO2激光切割機在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴，用以提高切割速度和切口的平整光潔。為了提高電源的穩定性和壽命，對于CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩定性。根據國際安全標準，激光危害等級分4級，CO2激光屬于危害最小的一級。

　　光纖激光切割機由于它可以通過光纖傳輸，柔性化程度空前提高，故障點少，維護方便，速度奇快，所以在切割4mm以內薄板時光纖切割機有著很大的優勢，;但是受固體激光波長的影響它在切割厚板時質量較差。光纖激光器激光切割機的波長為1.06um，不易被非金屬吸收，故不能切割非金屬材料。光纖激光的光電轉化率高達25%以上，在電費消耗、配套冷卻系統等方面光纖激光的優勢相當明顯。根據國際安全標準，激光危害等級分4級，光纖激光由于波長短對人體由于是眼睛的傷害大，屬于危害最大的一級，出于安全考慮，光纖激光加工需要全封閉的環境。光纖激光切割機作為一種新興的激光技術，普及程度遠遠不如CO2激光切割機。

　　激光焊接

　　激光束照射在材料上， 會把它加熱至融熔， 使對接在一起的組件接合在一起， 即是焊接。激光焊接，用比切割金屬時功率較小的激光束，使材料熔化而不使其氣化，在冷卻后成為一塊連續的固體結構。激光焊接技術具有溶池凈化效應，能純凈焊縫金屬，適用于相同和不同金屬材料間的焊接。由于激光能量密度高，對高熔點、高反射率、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。因為用激光焊接是不需要任何焊料的，所以排除了焊接組件受污染的可能; 其次， 激光束可被光學系統聚成直徑很細的光束， 換言之， 激光可以作成非常精細的 焊槍， 做精密焊接工作;還有激光焊接與組件不會直接接觸， 亦即這是非接觸式的焊接， 因而材料質地脆弱也不打緊， 還可以對遠離我們身邊的組件作焊接，也可以把放置在真空室內的組件焊接起來。因為激光焊接有這些特點， 所以它在微電子工業中尤其受歡迎。

　　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。用普通雕刻刀在堅硬的材料上， 比如在花岡巖、鋼板上作雕刻， 或者是在一些比較柔軟的材料， 比如皮革上作雕刻， 就比較吃力， 刻一幅圖案要花比較長的時間。如果使用激光雕刻則不同， 因為它是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料氣化或發生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種雕刻方法。它根本就沒有和材料接觸， 材料硬或者柔軟， 并不妨礙 雕刻 的速度。所以激光雕刻技術是激光加工最大的應用領域之一。 用這種雕刻刀作雕刻不管在堅硬的材料， 或者是在柔軟的材料上雕刻， 刻劃的速度一樣。倘若與計算機相配合， 控制激光束移動， 雕刻工作還可以自動化。把要雕刻的圖案放在光電掃描儀上， 掃描儀輸出的訊號經過計算機處理后， 用來控制激光束的動作， 就可以自動地在木板上， 玻璃上， 皮革上按照我們的圖樣雕刻出來。同時， 聚焦起來的激光束很細， 相當于非常靈巧的雕刻刀， 雕刻的線條細， 圖案上的細節也能夠給雕刻出來。激光雕刻可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級，這對產品的防偽有特殊的意義。激光雕刻巳發展至可實現亞微米雕刻，已廣泛用于微電子工業和生物工程。

　　激光打孔

　　在組件上開個小孔是件很常見的事。但是， 如果要求在堅硬的材料上， 例如在硬質合金上打大量0.1毫米到幾微米直徑的小孔。用普通的機械加工工具恐怕是不容易辦到， 即使能夠做到， 加工成本也會很高。 激光有很好的同調性， 用光學系統可以把它聚焦成直徑很微少的光點(小于一微米)， 這相當于用來鉆孔的 微型鉆頭。其次， 激光的亮度很高， 在聚焦的焦點上的激光能量密度(平均每平方米面積上的能量)會很高， 普通一臺激光器輸出的激光， 產生的能量就可以高達109 焦耳/厘米2， 足以讓材料熔化并氣化， 在材料上留下一個小孔， 就像是鉆頭鉆出來的。但是，激光鉆出的孔是圓錐形的，而不是機械鉆孔的圓柱形，這在有些地方是很不方便的。

　　激光蝕刻

　　激光蝕刻技術比傳統的化學蝕刻技術工藝簡單、可大幅度降低生產成本，可加工0.125～1微米寬的線，非常適合于超大規模集成電路的制造。

　　激光手術

　　激光能產生高能量﹑聚焦精確的單色光﹐具有一定的穿透力﹐作用于人體組織時能在局部產生高熱量。激光手術就是利用激光的這一特點﹐去除或破壞目標組織﹐達到治療的目的。主要包括激光切割和激光換膚。

　　激光武器

　　激光武器有它的獨特性，令它被廣泛應用于防空，反坦克，轟炸機自衛等軍事用途.激光之所以能成為威力強大的武器，是因為它有三個層次的破壞能力:

　　1.燒蝕效應 跟激光熱加工原理一樣，當高能激光束射到目標時，激光的能量會被目標的材料吸收，轉化為熱能.這些熱能足以令目標部分或完全穿孔，斷裂，熔化，蒸發，甚至產生爆炸.

　　2.激波效應 如目標材料被氣化，目標材料會在極短時間內產生反沖作用，形成壓縮波使材料表面層裂碎開，碎片向外飛時造成進一步破壞.

　　3.輻射效應 目標材料氣化的同時會形成等離子體云，能產生輻射紫外線及X光線，使目標內部的電子零件被破壞。

　　激光能源

　　激光還可應用于核能發電上。世界上建成的核發電站使用的核燃料是鈾， 使用氚核燃料的研究尚未成功。從研究所得， 氚核燃料比鈾核燃料更加 耐燒， 1公斤氚核燃料燃燒產生的能量比鈾核燃料高3倍多。更有吸引力的是氚核燃料在地球上的貯量大。1公斤海水中含有0.03克氚， 地球上的海洋中就裝有1021 公斤海水;或者說， 地球的海洋中就貯藏有1017 公斤氚， 把它開發出來做燃料， 就相當于給我們提供了10萬億億(1017) 噸煤， 足夠人類用上幾億年， 既然氚核燃料這么好.為甚么還不用? 問題就在于把它點火燃燒不是一件容易做到的事。劃一根火柴燃燒的溫度就可以把紙片， 汽油點著火， 要讓這種核燃料著火， 則需要億度的高溫。激光是較有可能達到這個點火溫度的技術。