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论激光技术的应用[1]


XXXX 大学 激光原理技术及应用期末论文

论激光技术的应用及发展前景

学生姓名: 学号: 指导教师: 专业:光电信息工程 年级: 联系方式:手机: 邮箱:

光 电 工 程 学 院
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论激光技术的应用及发展前景
摘要: 摘要:激光技术是六十年代初发展起来的一门以原子理论、量子理论、光学技术 和电子技术为基础的一门高新技术。目前激光技术已经被推广应用于农业、工业、 医疗、科学研究、军用武器及航天技术等多个领域,带来了巨大的效益。本文将 对这门新兴技术的发展应用及前景进行一个简单的讨论。 关键字: 关键字:激光技术;工业;医学;军事

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引言…………………………………………………………………………………………4 引言 1.激光技术定义与激光技术发展现状……………………………………………………4 2.激光技术的应用…………………………………………………………………………4 2.1 激光技术在工业上的应用……………………………………………………………4 2.2 激光技术在医学上的应用……………………………………………………………6 2.3 激光技术在军事上的应用……………………………………………………………6 3.激光技术的应用前景……………………………………………………………………7 结论…………………………………………………………………………………………7 致谢…………………………………………………………………………………………8 参考文献……………………………………………………………………………………8

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自 1960 年美国梅曼先生首先研制成功红宝石激光器以来,激光作为一门新颖 科学技术发展极快,迄今已渗透到几乎所有的自然科学领域,对物理学、化学、 生物学、医学、工艺学、园艺学以及检测技术、通信技术、军事技术等都产生了 深刻的影响。而作为发展极快的一门新兴技术,它的应用范围及发展前景也是广 阔的。

1 激光技术定义与激光技术发展现状
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;而接着,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就是激光。激光是一种单色光,具有高亮度,方 向性强,相干性好的特性。 激光技术包括激光器技术与激光应用技术。自第一台激光器诞生后,激光器技 术一直是激光技术的一个重要部分,至今已研制了上百种激光器。按工作物质可以 将它们划分为:固体激光器、气体激光器、半导体激光器等。目前固体激光器领 域最活跃的话题是二极管泵浦固体激光器,相应的半导体激光器中激光二极管成 为了它的重要发展方向,气体激光器中以 CO2 激光器的研究最成熟也发展最快。 自诞生之初至今,激光技术与应用发展迅猛,已与多个学科相结合形成多个 应用技术领域,比如光电技术,激光医疗与光子生物学,激光加工技术,激光检 测与计量技术,激光全息技术,激光光谱分析技术,非线性光学,超快激光学, 激光化学,量子光学,激光雷达,激光制导,激光分离同位素,激光可控核聚变, 激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现,大大地推动了传统产业和新兴 产业的发展。

2 激光技术的应用
激光技术目前在很多领域上多有应用,如工业、医学、军事等,此外激光技 术还被广泛应用于农业,通信,计算机,空间技术等领域。

2.1 激光技术在工业上的应用
由于具有适应性强、加工质量好、精度高、效率高、效益好、加工方法多、 无污染等优点,激光技术被广泛用于工业领域。 激光快速成形: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 激光快速成形 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,
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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 激光切割 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。 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 激光焊接 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 激光雕刻 雕刻刀在坚硬的材料上,比如在花冈岩、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
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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 激光打孔 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),这相当于用来钻 孔的微型钻头。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,就像是钻 头钻出来的。但是,激光钻出的孔是圆锥形的,而不是机械钻孔的圆柱形,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 激光蚀刻 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。

2.2 激光技术在医学上的应用
医学是应用激光技术最早、最广泛和最活跃的一门边缘学科。1960 年世界上 第一台红宝石激光器研制成功,次年红宝石激光视网膜凝固机在眼科获得首次应 用。到目前为止,临床上使用的激光医疗设备已有几十个品种,包含了自紫外至 可见光和红外的各种波长,包含了连续、脉冲、巨脉冲、超脉冲等各种输出方式。 从目前激光治疗设备在临床应用的角度可将其分为如下几大类:眼科激光治 疗设备、外科激光手术设备、用于美容目的的皮肤病激光治疗设备、光动力疗法 激光治疗设备、口腔激光设备和激光理疗仪器等等。

2.3 激光技术在军事上的应用
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 烧蚀效应: 烧蚀效应 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 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 激波效应 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 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 辐射效应 光线,使目标内部的电子零件被破坏。 激光武器的优点有:无需进行弹道计算;无后坐力;操作简便,机动灵活, 使用范围广;无放射性污染。 激光测距仪是激光在军事上应用的起点,将其应用到火炮系统,大大提高了
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火炮射击精度。激光雷达相比于无线电雷达,由于激光发散角小,方向性好,因 此其测量精度大幅度提高。由于同样的原因,激光雷达不存在盲区,因此尤其适 宜于对导弹初始阶段的跟踪测量。此外还有精确的激光制导武器,激光致盲武器, 它们在现代高技术战争中扮演着及其重要的角色。

3 激光技术的应用前景
目前全球业界公认的发展最快的、应用日趋广泛的最重要的高新技术就是光 电技术,他必将成为 21 世纪的支柱产业。而在光电技术中,其基础技术之一就是 激光技术。科学界预测,到 2010 年,以光电信息技术为主导的信息产业将形成 5 万亿美元的产业规模,到 2010 年至 2015 年,光电产业可能会取代传统电子产业。 光电技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步。 激光技术与产业的发展将支撑并推进高速、宽带、海量的光通信以及网络通 信,并将引发一场照明技术革命,小巧、可靠、寿命长、节能半导体(LED)将主导 市场,此外将推出品种繁多的光电子消费类产品 (如 VCD、D VD、数码相机、新 型彩电、掌上电脑电子产品、智能手机、手持音响播放设备、摄影、投影和成像、 办公自动化光电设备如激光打印、 传真和复印等)以及新型的信息显示技术产品(如 CRT、LCD 及 PDP、 FED、OEL 平板显示器等 )并进入人们的日常生活中。激光 产品已成为现代武器的眼睛和神经,光电子军事装备将改变 21 世纪战争的格局。

结论
激光技术作为一门具有多方面优点的新兴技术已经被应用于各种领域,但是 并没有广泛应用,所以它的发展潜力有待我们继续挖掘,而已经应用的方面则需 要我们将它完善的更成熟,相信激光技术引发的革命将会改变人们现有的生活。

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致谢

感谢激光原理技术及应用的 XX 老师给我的指导,使我对激光原理及激光技术 应用有了一个全面的了解,而论文也因此才得以顺利完成。同时,也要感谢日益 发达的网络,给了我很多资料。

参考文献 参考文献
参考文献
[1]孙长库 叶声华《激光测量技术》。 [2]苏显渝 李继陶《信息光学》。

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