探討激光原理及其實(shí)際應(yīng)用范文

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【摘要】激光器與普通光源相比，具有高亮度、高單色性和高方向性的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，并且可以形成超高電場(chǎng)強(qiáng)度、光壓和溫度，因此，激光技術(shù)日益成為科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域強(qiáng)有力的研究工具.

【關(guān)鍵詞】激光技術(shù)；原理；實(shí)際應(yīng)用

1激光產(chǎn)生的條件

1.1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

當(dāng)激光工作物質(zhì)處于溫度為T的熱平衡狀態(tài)時(shí)，遵從玻爾茲曼分布，即上下能級(jí)之間粒子數(shù)的正常分布，但是只有在能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的兩個(gè)能級(jí)之間才有可能產(chǎn)生激光輻射，也就是通過(guò)泵浦抽運(yùn)，外界向激光工作物質(zhì)提供能量使得高能級(jí)上的粒子數(shù)分布多于低能級(jí)上的粒子數(shù)分布。

1.2閾值條件

當(dāng)位于諧振腔內(nèi)的激光工作物質(zhì)的某對(duì)能級(jí)之間發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時(shí)，頻率處于這對(duì)能級(jí)之間自發(fā)輻射譜線寬度內(nèi)的微弱光信號(hào)在該介質(zhì)中傳輸時(shí)，獲得增益而被放大，由于在介質(zhì)中除了由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而使受激輻射的光子放大的因素外，還有一些由于反射鏡的透射和吸收，介質(zhì)材料不勻性等造成的損耗，又會(huì)使光信號(hào)不斷衰減，所以必須使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)到一定程度后才能形成激光，也就是只有當(dāng)光在諧振腔內(nèi)來(lái)回一次所得到的增益大于損耗時(shí)，才能形成激光。激光振蕩閾值是腔內(nèi)輻射由自發(fā)輻射向受激輻射轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2激光的實(shí)際應(yīng)用

2.1測(cè)量工作

激光可以被應(yīng)用在測(cè)量工作當(dāng)中。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，激光具有突出的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)：一方面，激光的高度比較高；另一方面，激光的精確性比較強(qiáng)。以激光作為測(cè)距儀的光源，可以使測(cè)距量程大大提高，減少了測(cè)量環(huán)境限制的影響。由于激光具有良好的單色性和方向性，在一定程度上不僅提高了測(cè)量距離的準(zhǔn)確度，還縮小了光學(xué)系統(tǒng)的孔徑，縮小了測(cè)量?jī)x器的體積和質(zhì)量。其基本原理是利用光在待測(cè)距離的往返時(shí)間算出距離。激光測(cè)距的方法也多種多樣，例如按照不同檢測(cè)時(shí)間的方法可分為脈沖激光測(cè)距和相位測(cè)距。以宇航工作為例，工作人員在地面發(fā)射激光，宇航人員在月球反射激光，能夠精準(zhǔn)計(jì)算出月球到地球的距離[2]。將網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與激光技術(shù)融合在一起，可以構(gòu)建三維立體測(cè)量圖，加快信息數(shù)據(jù)的傳遞速度。就目前來(lái)看，激光測(cè)量設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域、地質(zhì)勘探領(lǐng)域、大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域等等，收獲了事半功倍的實(shí)用效果。

2.2激光通信

激光通信和無(wú)線電通信在原理、結(jié)構(gòu)及通信過(guò)程方面都是類似的，所不同的是采用了一些光學(xué)器件，不用無(wú)線電波，而是用激光作為傳遞信息的工具。激光通信系統(tǒng)包括三個(gè)主要部分，即信號(hào)發(fā)送部分、信號(hào)傳輸部分，信號(hào)接收部分。激光通信中，首先將傳遞的信息，例如文字、語(yǔ)言、圖像等轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再把這個(gè)電信號(hào)加載到由激光器產(chǎn)生的載波上，其中的調(diào)制過(guò)程由激光調(diào)制器完成，然后激光載著被傳遞的信號(hào)向接收點(diǎn)傳播，在接收部分，即把被調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。接收系統(tǒng)由接收天線，光檢測(cè)器，信號(hào)變換器等完成。為增加接收靈敏度，有時(shí)采用光放大、外差接收等技術(shù)。

2.3機(jī)械工業(yè)

激光在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用主要是對(duì)材料進(jìn)行加工處理，例如切割、鉆孔、焊接、淬火等。在這里，激光主要是作為一個(gè)很強(qiáng)的熱源來(lái)使用，例如激光打孔的原理是利用聚焦的激光束使材料表面焦點(diǎn)區(qū)域的溫度迅速上升，溫度上升的速度非常快，這樣，在熱量尚未發(fā)散之前就可以將焦點(diǎn)區(qū)域燒熔，直至汽化，形成小孔，完全不受加工材料硬度和脆性的限制，并且打孔的速度也非常快，由于激光打孔是非接觸的，可以防止加工過(guò)程中加工部件的玷污，也可以在某些特殊環(huán)境中加工。在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域，也可利用激光進(jìn)行打標(biāo)。激光打標(biāo)有幾點(diǎn)突出優(yōu)勢(shì)。其一，激光打標(biāo)適用范圍比較廣泛，在皮革、紙張、玻璃、陶瓷、塑料等品種上都可進(jìn)行。其二，激光打標(biāo)自動(dòng)化程度高，有著無(wú)污染、運(yùn)轉(zhuǎn)成本低特點(diǎn)。以機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中塑料三極管打標(biāo)為例，若采取激光打標(biāo)方法，其作業(yè)速度將保持在10個(gè)/秒的狀態(tài)，打標(biāo)成本是0.00048元/個(gè)，與移印機(jī)相比，運(yùn)轉(zhuǎn)成本低，打標(biāo)質(zhì)量更好。此外，激光打標(biāo)作業(yè)方法加工功率高。因?yàn)椋趯?shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，激光光束移動(dòng)速度可達(dá)到5～7米/秒。如此，可滿足高速流水線生產(chǎn)需求，在一定程度上縮短機(jī)械加工所耗時(shí)間。另外，與傳統(tǒng)打標(biāo)方法相比，激光打標(biāo)方法精度較高，可將其線寬控制到0.05mm。以二維碼打印為例，若利用激光打標(biāo)法替代壓印打標(biāo)法，不僅能夠提高二維碼清晰度，也可增加防偽功能。同時(shí)，由于激光打標(biāo)法屬于非觸摸式打標(biāo)法。所以，整個(gè)操作過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)污染現(xiàn)象，可提高機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域打標(biāo)作業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域，可利用激光原理進(jìn)行激光切開操作。激光切開，不會(huì)增加工件的外力，造成工件裂縫和變形現(xiàn)象。同時(shí)，激光切開，作為一種無(wú)觸摸式切開方式，不存在刀具磨損問(wèn)題，且適用于各種硬度的材料，更符合機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)需求。在機(jī)械工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，應(yīng)嘗試?yán)眉す馇虚_法代替其他辦法，提高切開操作靈敏度、適應(yīng)性和可控性。

2.4軍事科技

激光可以被應(yīng)用在軍事科技中。自上個(gè)世紀(jì)六十年代開始，發(fā)達(dá)國(guó)家就將激光技術(shù)應(yīng)用在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中，取得了較好的實(shí)用效果。激光能量驚人，破壞力非常大，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)敵人造成巨大沖擊。從某個(gè)角度來(lái)看，激光技術(shù)改變了軍事發(fā)展的方向。例如激光雷達(dá)，雷達(dá)又叫無(wú)線定位儀，用于目標(biāo)的跟蹤和定位，在軍事、航天、航空等多種技術(shù)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，人們將無(wú)線電波段向短波段和紅外擴(kuò)展，并發(fā)展了光學(xué)定位系統(tǒng)。激光雷達(dá)是一種通過(guò)探測(cè)距離目標(biāo)的散射光特性來(lái)獲取目標(biāo)的相關(guān)信息的光學(xué)遙感技術(shù)，以激光束取代無(wú)線電波，用振幅、相位、頻率和偏振來(lái)搭載信息，在重復(fù)測(cè)距的同時(shí)，以細(xì)激光束對(duì)空間掃描，把從探測(cè)方向返回來(lái)的反射光強(qiáng)加以變化，不僅能夠精準(zhǔn)測(cè)距，而且能夠精準(zhǔn)測(cè)速、精確跟蹤，具有角分辨率高、距離分辨率高、速度分辨率高、測(cè)速范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，激光武器對(duì)人的傷害作用較大，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致死亡。因此，激光武器并不提倡，各國(guó)在使用激光武器之前應(yīng)該做到三思而后行。

2.5激光雕琢

在科學(xué)技術(shù)水平不斷提高背景下，激光原理也被廣泛應(yīng)用到了雕琢工作中。而激光原理在非金屬資料上進(jìn)行雕琢的形式可分為兩種。其一，點(diǎn)陣雕琢法。在點(diǎn)陣雕琢法雕琢過(guò)程中需要通過(guò)操控激光頭左右搖擺雕琢出一條線，這個(gè)線是由一系列點(diǎn)組成的。在雕琢完一條線之后，應(yīng)上移或者下移激光頭雕琢其他線，直至完成整個(gè)圖案的雕琢。以矢量化圖文、文字為例，都可采用點(diǎn)陣雕琢法完成具體的雕琢工作。其二，矢量切開。矢量切開作為雕琢方法之一，它主要是利用雕琢機(jī)在圖文外輪廓線進(jìn)行雕琢，整個(gè)雕琢過(guò)程需要設(shè)置相應(yīng)的雕琢強(qiáng)度、雕琢速度等指標(biāo)。同時(shí)，在指定激光強(qiáng)度下，雕琢速度與切開深度之間保持著反比例關(guān)系。因而，操作人員應(yīng)根據(jù)金屬板、有機(jī)玻璃、雙色板、氧化鋁等材料雕琢要求調(diào)控各項(xiàng)指標(biāo)，達(dá)到最佳的雕琢效果。此外，在對(duì)雕琢速度進(jìn)行調(diào)整時(shí)，可利用雕琢機(jī)面板將雕琢速度控制在最佳狀態(tài)，并使用2.0英寸透鏡，讓激光雕琢質(zhì)量變得更加細(xì)膩。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，激光技術(shù)的重要價(jià)值越來(lái)越突出。為了發(fā)揮激光技術(shù)的實(shí)用價(jià)值，必須掌握激光的基本原理，對(duì)激光生成原因進(jìn)行分析，擴(kuò)展激光技術(shù)的范圍。

【參考文獻(xiàn)】

[1]牛芳.激光技術(shù)發(fā)展的啟示[J].山西科技，2005(03)：84-85.

[2]趙一鳴，李艷華，商雅楠，李靜，于勇，李涼海.激光雷達(dá)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].遙測(cè)遙控，2014，35(05)：4-22.

[3]李宏偉.軍用大氣激光通信系統(tǒng)特性及應(yīng)用研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

作者：趙一霈 單位：河南大學(xué)