激光原理与技术第四章

78 第四章 激光应用

4.1 激光应用概述

人们研究任何一种技术都是为了应用，为人们生活、生产和某些特殊目的而利用，其中包括残酷的战争应用。激光问世四十多年来，发展速度之快，应用面之广是非常惊人的。目前，激光应用领域主要归纳为下列十五个方面：1. 激光加工，2.激光印刷，3.计量检测，4.激光通信，5.激光存储，6.光化学，7.激光医疗，8.激光生物学，9.激光核聚变，10.激光布景，11.激光雷达，12.激光制导，13.激光致盲，14.激光测距，15.激光战略武器等。在上述应用领域中有些已经相当成熟，有些在探索发展中。

一. 激光应用技术特点

1.激光应用是光、机、电、算相结合，是光学系统、机械系统和电路系统的综合应用，近几年又与微机紧密结合，所以激光应用是复杂的高科技，要求一个设计者具备多学科的知识和总体设计能力，需要有大协作的精神和严密的科学态度；

2.激光应用领域广泛，军民并重，各种应用系统要求不同，差异很大，这就增加了设计的复杂性和难度。一个设计者必须使理论与实践相结合，否则是不能设计出性能优良的整机的；

3.虽然激光应用有很大发展，但是在很多技术方面远是不成熟的，给设计者提供广阔的创新机会。目前激光应用整机远不如电子仪器那样稳定和可靠，其成本也比较昂贵，努力提高现有激光应用整机的可靠性，大力降低成本，积极推广应用，是设计者和开发者的重任。

二. 激光主要应用方面

1.激光加工

1）仿形切割金属材料、塑料材料。如金属薄板，主要应用于汽车工业，造船工业，广告牌制造等。在此方面，CO2激光切割机、连续YAG激光切割机近几年国内已制成，用800W的激光器可切割5mm以下的钢板。

2）特种材料及特殊元件焊接。如钢笔尖，项链，罐头盒盖等焊接，一般用500W CO2激光器或YAG激光器。

3）激光打孔。用于宝石轴承、发动机喷油嘴打孔，香烟滤纸打孔，摄像管的电子束通道打孔等，主要用脉冲YAG激光器或CO2激光器。

4）激光打标、刻槽。刻槽主要用于半导体元件制造，薄膜电路制造，集成电路元件微调等，打标主要用标牌刻字，工件打标，装饰品加工等，目前此应用多半采用声光调Q YAG激光器。

79 2.激光医疗

1）激光眼科治疗机

早期用脉冲红宝石激光器治疗视网膜脱落，称为视网膜凝结机，近些年来，氩离子激光器和倍频YAG激光器在眼科中获得越来越多的应用。把激光器配备在裂隙灯上已成功的进行眼科疾病的检查与治疗。眼科治疗机一般不需要高能量，但定位精度要求极高。目前眼科激光医疗机可治疗视网膜脱落、白内障和青光眼等，给千百万盲人带来福音。

2）激光理疗机

激光理疗机用于穴位照射或皮肤组织局部照射，对消炎止痛有很好的疗效。大量应用的是He－Ne激光器，Ar＋离子激光器和半导体激光器。近几年倍频YAG激光器也获得较大应用。目前国内大中型医院有70%以上配备有激光理疗机或激光治疗机。

3）激光手术刀

激光手术刀用于外科手术，痔、疣切割，配合内窥镜可进行各种内腔肿瘤及息肉的汽化手术，如食道、胃、直肠、气管和支气管等部位的肿瘤汽化，在国内不少大医院已开展这方面的激光治疗并取得显著疗效。作为手术刀要求激光功率在30～100W之间，主要用YAG激光和CO2激光，CO2激光由于目前缺少适用光纤，内腔治疗还有一定困难，主要用于美容，也可用于痔切割。YAG激光手术刀除用于各种表皮血管瘤（即鲜红斑志）、五官科、妇科外，最适合于内腔疾病的治疗，因为YAG激光输出1.06μm光波，可用现有光纤把激光导入人体内脏器官。

3.激光印刷

激光印刷是世界上发展最快，销售额最多的一种激光产品，86年全世界销售额就已达55.3亿美元。激光印刷是广义概念，具体包括激光打印、照排和分色等。基本原理是通过激光扫描使激光束周期照明达到材料感光，实现激光打印或照排的目的。目前激光打印机多用半导体激光器，激光照排多用氩离子激光。

4.激光计量

1）激光准直

用于建筑、造船、采矿中，如万吨巨轮轮胎基线定位、校准，开隧道定中心，高层楼房、桥梁准直等，多用He-Ne激光器，因其可见，光束角小，使用方便，造价低。

2）激光测长

通称激光比长仪，其量程为1～2米，测量精度可达0.2μm，已研制出双频激光测长仪，用拉姆凹陷稳频技术，使激光光频稳定在±1×10－7以内，测量精度最高可达0.005μ。

80 3）激光测径

激光在线测量已成功用于电缆、拉丝、钢管制造等自动监测中，激光扫描尺寸检测仪可高速、精确地测量一定范围的外径尺寸，在0.5-50mm范围内测量精度可小于0.5μ，激光器主要用He-Ne。

5.激光光谱分析

该技术是用聚焦激光束打在微量物质上使其气化，然后使气化物质通过高压电极引起放电，发出物质特征光谱。通过光谱分析便可知道微量物质的化学成分。激光光谱仪对分析微量物质有独特的优越性，它不需要把分析物质做成样块，可直接激发，且灵敏度极高，广泛用于地质勘探、采矿和理化分析实验中。光谱分析一般用高能脉冲激光器。

6.激光全息照相

激光全息照相是用物光及参考光的干涉记录在全息片上，然后再通过再现可获得物体的空间立体像，全息照相还可通过体全息图记录与存储文献、资料等。用双脉冲全息照相可进行无损检验，激光全息术已成为一门独立的学科，是激光出现后发展较为迅速的一种应用。目前全息照相多用红宝石激光器和倍频YAG激光器。

7.激光通信

激光通信有直接通讯和光纤通讯两种体制。激光空间通讯是用激光作载波传递信息，可以是声音或文字、图像等，其激光是直接在空间传播，这种通讯可用于卫星上或海岛之间，具有良好地抗干扰性和保密性，光纤通讯几乎全是用半导体激光器，它是把激光载波携带的信息通过光纤传输激光实现远距离通讯，光通讯具有传播信息量大，不受干扰的特点。目前光纤通讯已达到大量应用的程度，但是其造价目前还是偏高。

8.激光测距

用ns级窄脉冲激光，测量其发射和返回的时间，然后再乘以光速，便得到光信号往返距离的2倍，目前激光测距已达到相当成熟的地步。激光测距主要用在步兵测距机、坦克测距机等方面，作用距离可达20～30公里，利用合作目标，测距可达几千公里，并且测月已经成功。激光测距主要用调Q或锁模YAG激光器。我国许多人造卫星观测站都装备了高频激光测距机，可实现卫星轨道的精确测量。

9.激光雷达

用激光束搜索、捕获目标并将捕获目标成像在显示屏上，是激光雷达的主要功能。与无线电雷达相比，它的抗干扰性强，跟踪精度高，机动灵活。但是目前光雷达还有许多技术关键需要解决：一是研制大角度大屏幕激光扫描器，二是研制特高重复频率高功率激光器。目前我国还没有研制出适用的光雷达，光雷达作

81 为远程警戒还有困难，但是用于战术防空或武装直升机上对地搜索是切实可行的。

10.激光制导

激光制导目前有两种方案，一是用反射激光束实现末制导，二是用激光束直接进行照射制导，即所谓驾束制导。前一种方案可用于炮射导弹末制导或空投炸弹末制导，其主要原理是在弹上装有四象限激光探测器，用激光照射目标，其反射光被弹上探测器接受，弹上的探测装置通称为寻的器。它是一个灵敏度均匀的四象限探测器，当反射激光照在四象限探测器上，如果探测器表面与光束不垂直，则四个象限的探测器接收反射激光信号不相等，通过光信号的合差处理控制弹的尾舵使其改变方向，并沿光束方向前进，直至打在目标上。激光驾束制导，原理与末制导相同，只是激光束直接照在弹上，进行驾束控制，驾束制导的激光束直接安装在投导弹的飞机上。它需要的激光能量很小，作用距离远，而激光末制导（也称半主动制导）需要炮射前沿的战士用激光照射器去照射攻击目标。目前我国引进俄罗斯激光制导技术，已很快的实现了国产化并能迅速装备部队。

11.激光致盲

用强激光直接伤害人眼，使人致盲，或用激光束烧毁红外热像仪、夜视仪、光学瞄准具等，称为激光致盲。在战时，只要破坏敌方的观瞄仪器，使其失灵，便称为致盲。比如用激光毁伤光电探测器、显示屏等。根据计算，为了有效破坏10～20公里处的各种灵敏光电元件，需要致盲激光束达到500MW的峰值功率。

12.激光炮

用强激光束摧毁坦克履带，破坏巡航导弹，烧毁低空飞机已能期望接近实战，为达此目的，激光输出功率至少在10万瓦以上，此外还需要具有机动性和战场条件下的供电能力。死光武器在60～70年代曾鼓噪一时，经过40多年的发展，死光武器的魔影越来越清楚的浮现了。美国和俄罗斯都在积极进行战略激光杀伤武器的研制。已达到能击毁空中靶机和导弹的程度，但用于摧毁卫星和洲际导弹目前还有相当大的困难。在研究战略激光武器方面，美国以自由电子激光器为主，但是不放弃化学（D*F）激光器，准分子激光器，战术激光器以CO2气动激光器和氟化氘化学激光器为主。

4.2激光加工

激光加工主要包括切割，打孔，焊接，打标，热处理等。根据应用不同，对激光器的要求也不同，目前高功率激光加工机用得最多的是横流CO2激光器，近几年高功率YAG激光加工机也有很大进步。广泛用于焊接和打孔中。

一. 激光加工机的种类及现状

82 目前主要以横流CO2激光加工机为主，激光器输出功率有1000W，2000W，5000W和一万瓦等系列，主要用于汽车工业，造船工业，机械制造工业等领域。目的是快速仿形切割钢板或其他金属板，近几年YAG激光加工机也有较大发展，国内已研制出500W和800W的YAG激光切割机。

大型切割机的方框图如图4.1。它主要包括激光器，供电电源，聚焦镜头，传动机构和控制系统等五部分。聚焦镜头一般用单块或组合型镜头，它把激光束聚焦成几十微米的光斑，达到很高的功率密度，把材料加热到高温使其汽化，实现切割的目的。对于CO2激光，波长为10.6μm，聚焦镜头可用锗，硒化锌（ZnSe）等材料，聚焦镜头设计在密封盒内，并通入氧气，吹到焦点助燃，同时还有保护镜头不被汽化物污染的作用。传动机构一般是平面二维移动，通常用两个力矩电动带动x、y方向传动，电机由微机程控，把加工程序编制在软盘中，用不同的软件控制各种仿形切割，至于激光器和微机部分都是通用的，只是根据不同需要配备接口件即可。

激光电源CO2激光器聚焦镜头450反射镜O2入口传动机构工件微机控制

图4.1 CO2激光加工机方框图

下面介绍激光打孔机和激光微调机

1. 激光打孔机

激光打孔用于微型孔和高强度物质打孔，如钟表轴承、拉丝模、柴油机喷嘴等打孔。激光器多用脉冲激光器，脉冲激光打孔可引起材料飞溅，不是全部熔化，因此可大大节省激光能量，激光打孔不易获得理想孔形，需要做工艺研究，为了加工出适合的孔形和孔径，一般采取下列技术：

1）改变聚焦透镜焦距；

2）改变工件表面与透镜焦距的位置；

3）调节单次脉冲能量；

4）用重复频率或序列激光脉冲打孔。

如果加工微小直径的深孔，用重复频率激光多个脉冲打出一个深孔，可减少锥度和粗糙度。特别是用序列脉冲激光器对加工直径均匀的微孔是很有效的。

2. 激光微调机