激光原理及在生活中的應(yīng)用

1、激光原理及在生活中的應(yīng)用激光的英文名是 laster，是 Light amplification by stimulated emission of radiation”的縮寫，意為“受激輻射式光頻放大”。激光的三個基本組成為：泵浦 源.諧振腔.增益媒質(zhì)，世界上第一臺激光器是美國科學(xué)家梅曼于1960年研制成功 的。激光是通過原子受激輻射發(fā)光和共振放大形成的。原子具有一些不連續(xù)分布 的能電子，這些能電子在最靠原子核的軌道上轉(zhuǎn)動時穩(wěn)定的，這時原子所處的能 級為基態(tài)。當(dāng)有外界能量傳入，則電子運(yùn)行軌道半徑擴(kuò)大，原子內(nèi)能增加，被激 發(fā)到能量更高能級，這時稱之為激發(fā)態(tài)或高能態(tài)。被激發(fā)到高能態(tài)的原子是不穩(wěn)

2、定的，總是力圖回到低能級去，原子從高能級到低能級的過程成為躍遷。原子在 躍遷時其能量差以光的形式輻射出來，這就是原子發(fā)光，又稱熒光。如果在原子 躍遷時受到外來光子的誘發(fā)，原子就會發(fā)射一個與入射光子的頻率.相位.傳播方 向.偏振方向完全相同的光子，這就是受激輻射的光。原子被激發(fā)到高能級后會 很快躍遷回低能級，它停在高能級的時間稱為原子在該能級的平均壽命。原子在 外來能量的激發(fā)下，使處在高能級的原子數(shù)大于低能級的原子數(shù)，這種狀態(tài)稱為 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這是，在外來光子的刺激下產(chǎn)生受激輻射發(fā)光，這些光子光學(xué)諧振 腔的作用產(chǎn)生放大，受激輻射越來越強(qiáng)，光束密度不斷增大，形成了激光。激光與其他光相比，具有以下的

3、特點(diǎn)：高亮度，高方向性，高單色性和高十 涉性。這些特點(diǎn)使激光得到了廣泛的應(yīng)用，激光在材料加工中的應(yīng)用就是其應(yīng)用 的一個重要領(lǐng)域。由于這四大特性，因此，就給激光加工帶來了如下傳統(tǒng)加工所 不具備的優(yōu)勢，由于是無接觸加工，并且激光束的能量及移動速度均可調(diào)，因此 可以實現(xiàn)多種加工。還可用來加工多種金屬.非金屬，特別是可以加工高硬度.高 脆性及高熔點(diǎn)的材料。激光加工過程中無刀具磨損，無切削力作用于工件，加工 的工件熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。激光可通過透明介質(zhì)對密閉 容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。激光束易于導(dǎo)向，通過聚焦可以實現(xiàn)各方向變換， 極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對于復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此，激光加

4、工是一種極為靈活 的加工方法。此外激光加工生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益和社會效 益顯著。隨著激光技術(shù)與應(yīng)用的迅猛發(fā)展，已于多個學(xué)科相結(jié)合形成多個應(yīng)用技術(shù)領(lǐng) 域，而激光技術(shù)的主要應(yīng)用包括激光切割，激光焊接，激光打標(biāo)，激光打孔，激 光熱處理，激光快速成型，激光涂敷等。激光加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于能源，交通 運(yùn)輸，鋼鐵冶金，船舶與汽車制造，電子電氣工程，航空航天等郭明經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn) 業(yè)。激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超過激光值的激光功 率密度的前提下，激光束的能量以及活性氣體輔助切割過程所附加的化學(xué)反應(yīng)熱 能全部被材料吸收，由此引起激光作用點(diǎn)的溫度急劇上升，達(dá)到沸點(diǎn)后材料開始 氣

5、化，并形成孔洞，隨著光束與工件的相對運(yùn)動，最終使材料形成切縫，切縫處 的熔渣被一定的輔助氣體吹除。激光切割以其切割范圍廣，切割速度快.切縫窄. 切割質(zhì)量好.熱影響區(qū)小，加工柔性大等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代工業(yè)中得到了極為廣泛的應(yīng) 用，激光切割技術(shù)也稱為激光加工技術(shù)中最為成熟的技術(shù)之一。近幾年來，我國 在數(shù)控激光切割技術(shù)裝備領(lǐng)域發(fā)展迅速，各種光路設(shè)計都已成熟應(yīng)用，在驅(qū)動方 面普遍采用直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，國產(chǎn)數(shù)控激光切割設(shè)備已經(jīng)具備較強(qiáng)的市場競爭 能力。常用的打孔方法有鉆頭鉆孔，電火花加工打孔，激光打孔等。鉆頭鉆孔中鉆 頭容易斷，產(chǎn)品廢品率較高。電火花加工打孔速度很慢，激光打孔速度較快，是 最早實用化的激光加工技

6、術(shù)，也是激光加工的重要領(lǐng)域之一。激光打孔指激光經(jīng) 聚焦后作為高強(qiáng)度熱源對材料進(jìn)行加熱，使激光作用區(qū)內(nèi)材料熔化或汽化繼而蒸 發(fā)，而形成孔洞的激光加工過程。激光打孔速度快，效率高，經(jīng)濟(jì)效益好?？色@ 得很大的深徑比?？稍谟?，脆，軟等各類材料上進(jìn)行加工。無工具耗損，激光打 孔為無接觸加工，避免了機(jī)械打孔時易斷鉆頭的問題。適合于數(shù)量多，高密度的 群孔加工?？稍陔y加工材料傾斜表面上加工小孔。由于激光打孔過程不與工件接 觸，故加工后的工件清潔無污染。激光雕刻與激光切割比較類似，它同樣是利用高功率密度的聚焦激光光束作 用在材料表面或內(nèi)部，使材料汽化或發(fā)生物理變化，通過控制激光的能量，光斑 大小，光斑運(yùn)動軌跡和

7、運(yùn)動速度等相關(guān)參量，使材料形成要求的立體圖形圖案。 激光雕刻按雕刻方式分為點(diǎn)陣雕刻和矢量切割雕刻。點(diǎn)陣雕刻酷似高清晰度的點(diǎn) 陣打印。激光頭左右擺動，每次一條由一系列點(diǎn)組成的一條線，然后激光頭同時 上下移動雕刻出多條線，最后構(gòu)成整版的圖像或文字。掃描的圖形，文字及矢量 化圖文都可使用點(diǎn)陣雕刻。矢量切割雕刻與點(diǎn)陣雕刻不同，矢量切割雕刻是在圖 文的外輪廓線上進(jìn)行。激光雕刻有很多優(yōu)點(diǎn)，一方面雕刻范圍廣，既可對金屬材 料進(jìn)行加工，也可對非金屬材料進(jìn)行雕刻，甚至能夠雕刻耐火度高以及硬而脆的 材料。還能深入到材料內(nèi)部進(jìn)行雕刻。激光雕刻比一般的雕刻方法要快100倍以 上，而且可保證重復(fù)雕刻的精度。做出的產(chǎn)品分

8、辨率高，可實現(xiàn)精細(xì)雕刻，并且 清潔無污染被雕刻材料氧化.變形.熱膨脹的影響區(qū)域都比較小。雕刻過程簡單， 能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，并且是精細(xì)雕刻，原材料損耗少，提高工作效率。激光雕刻與 自動化控制技術(shù)結(jié)合在一起，很容易實現(xiàn)自動化控制過程。超快超強(qiáng)激光主要以飛秒激光的研究與應(yīng)用為主，作為一種獨(dú)特的科學(xué)研究 的工具和手段飛秒激光在超快領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用、在超強(qiáng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和在超微細(xì)加 工中的應(yīng)用。飛秒激光尤如一個極為精細(xì)的時鐘和一架超高速的相機(jī)可以將自 然界中特別是原子、分子水平上的一些快速過程分析、記錄下來。飛秒激光在超 強(qiáng)領(lǐng)域中的應(yīng)用歸因于具有一定能量的飛秒脈沖的峰值功率和光強(qiáng)可以非常之 高。這樣的強(qiáng)光所對應(yīng)

9、的電磁場會遠(yuǎn)大于原子中的庫侖場，從而很容易地將原子 中的電子統(tǒng)統(tǒng)剝落出去。因此，飛秒激光是研究原子，分子體系高階非線性、多 光子過程的重要工具。與飛秒激光相應(yīng)的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。 飛秒強(qiáng)光可以用來產(chǎn)生相干X射線和其它極短波長的光，可以用于受控核聚變 的研究。激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類：激光診斷與激光治療，前者是以激光作為 信息載體，后者則以激光作為能量載體。多年來，激光技術(shù)已成為臨床治療的有 效手段，也成為發(fā)展醫(yī)學(xué)診斷的關(guān)鍵技術(shù)。它解決了醫(yī)學(xué)中的許多難題，為醫(yī)學(xué) 的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在，在基礎(chǔ)研究、新技術(shù)開發(fā)以及新設(shè)備研制和生產(chǎn)等諸 多方面都保持持續(xù)的、強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。研究激光與生物組織間的作用關(guān)系，特 別是在諸多有效療法中已獲得重要應(yīng)用的激光與生物組織間的作用關(guān)系；研究不 同激光參數(shù)對不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關(guān)系，取得