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探讨激光原理及其实际应用

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【摘要】激光器与普通光源相比,具有高亮度、高单色性和高方向性的独特优点,并且可以形成超高电场强度、光压和温度,因此,激光技术日益成为科学技术领域强有力的研究工具.

【关键词】激光技术;原理;实际应用

1激光产生的条件

1.1粒子数反转

当激光工作物质处于温度为T的热平衡状态时,遵从玻尔兹曼分布,即上下能级之间粒子数的正常分布,但是只有在能够实现粒子数反转分布的两个能级之间才有可能产生激光辐射,也就是通过泵浦抽运,外界向激光工作物质提供能量使得高能级上的粒子数分布多于低能级上的粒子数分布。

1.2阈值条件

当位于谐振腔内的激光工作物质的某对能级之间发生粒子数反转分布时,频率处于这对能级之间自发辐射谱线宽度内的微弱光信号在该介质中传输时,获得增益而被放大,由于在介质中除了由于粒子数反转而使受激辐射的光子放大的因素外,还有一些由于反射镜的透射和吸收,介质材料不匀性等造成的损耗,又会使光信号不断衰减,所以必须使粒子数反转到一定程度后才能形成激光,也就是只有当光在谐振腔内来回一次所得到的增益大于损耗时,才能形成激光。激光振荡阈值是腔内辐射由自发辐射向受激辐射转变的转折点。

2激光的实际应用

2.1测量工作

激光可以被应用在测量工作当中。与传统测量方法相比,激光具有突出的测量优势:一方面,激光的高度比较高;另一方面,激光的精确性比较强。以激光作为测距仪的光源,可以使测距量程大大提高,减少了测量环境限制的影响。由于激光具有良好的单色性和方向性,在一定程度上不仅提高了测量距离的准确度,还缩小了光学系统的孔径,缩小了测量仪器的体积和质量。其基本原理是利用光在待测距离的往返时间算出距离。激光测距的方法也多种多样,例如按照不同检测时间的方法可分为脉冲激光测距和相位测距。以宇航工作为例,工作人员在地面发射激光,宇航人员在月球反射激光,能够精准计算出月球到地球的距离[2]。将网络信息技术与激光技术融合在一起,可以构建三维立体测量图,加快信息数据的传递速度。就目前来看,激光测量设备已经被广泛应用在工程领域、地质勘探领域、大气监测领域等等,收获了事半功倍的实用效果。

2.2激光通信

激光通信和无线电通信在原理、结构及通信过程方面都是类似的,所不同的是采用了一些光学器件,不用无线电波,而是用激光作为传递信息的工具。激光通信系统包括三个主要部分,即信号发送部分、信号传输部分,信号接收部分。激光通信中,首先将传递的信息,例如文字、语言、图像等转变为电信号,再把这个电信号加载到由激光器产生的载波上,其中的调制过程由激光调制器完成,然后激光载着被传递的信号向接收点传播,在接收部分,即把被调制的光信号转换成电信号。接收系统由接收天线,光检测器,信号变换器等完成。为增加接收灵敏度,有时采用光放大、外差接收等技术。

2.3机械工业

激光在机械工业中的应用主要是对材料进行加工处理,例如切割、钻孔、焊接、淬火等。在这里,激光主要是作为一个很强的热源来使用,例如激光打孔的原理是利用聚焦的激光束使材料表面焦点区域的温度迅速上升,温度上升的速度非常快,这样,在热量尚未发散之前就可以将焦点区域烧熔,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触的,可以防止加工过程中加工部件的玷污,也可以在某些特殊环境中加工。在机械工业领域,也可利用激光进行打标。激光打标有几点突出优势。其一,激光打标适用范围比较广泛,在皮革、纸张、玻璃、陶瓷、塑料等品种上都可进行。其二,激光打标自动化程度高,有着无污染、运转成本低特点。以机械工业生产中塑料三极管打标为例,若采取激光打标方法,其作业速度将保持在10个/秒的状态,打标成本是0.00048元/个,与移印机相比,运转成本低,打标质量更好。此外,激光打标作业方法加工功率高。因为,在实际生产作业中,激光光束移动速度可达到5~7米/秒。如此,可满足高速流水线生产需求,在一定程度上缩短机械加工所耗时间。另外,与传统打标方法相比,激光打标方法精度较高,可将其线宽控制到0.05mm。以二维码打印为例,若利用激光打标法替代压印打标法,不仅能够提高二维码清晰度,也可增加防伪功能。同时,由于激光打标法属于非触摸式打标法。所以,整个操作过程不会产生化学污染现象,可提高机械工业领域打标作业市场竞争力。在机械工业领域,可利用激光原理进行激光切开操作。激光切开,不会增加工件的外力,造成工件裂缝和变形现象。同时,激光切开,作为一种无触摸式切开方式,不存在刀具磨损问题,且适用于各种硬度的材料,更符合机械工业领域生产需求。在机械工业实际生产作业中,应尝试利用激光切开法代替其他办法,提高切开操作灵敏度、适应性和可控性。

2.4军事科技

激光可以被应用在军事科技中。自上个世纪六十年代开始,发达国家就将激光技术应用在军事战争中,取得了较好的实用效果。激光能量惊人,破坏力非常大,可以在短时间内对敌人造成巨大冲击。从某个角度来看,激光技术改变了军事发展的方向。例如激光雷达,雷达又叫无线定位仪,用于目标的跟踪和定位,在军事、航天、航空等多种技术领域有着重要的应用,随着激光技术的发展,人们将无线电波段向短波段和红外扩展,并发展了光学定位系统。激光雷达是一种通过探测距离目标的散射光特性来获取目标的相关信息的光学遥感技术,以激光束取代无线电波,用振幅、相位、频率和偏振来搭载信息,在重复测距的同时,以细激光束对空间扫描,把从探测方向返回来的反射光强加以变化,不仅能够精准测距,而且能够精准测速、精确跟踪,具有角分辨率高、距离分辨率高、速度分辨率高、测速范围广、抗干扰能力强等一系列优点。值得注意的是,激光武器对人的伤害作用较大,严重的甚至会导致死亡。因此,激光武器并不提倡,各国在使用激光武器之前应该做到三思而后行。

2.5激光雕琢

在科学技术水平不断提高背景下,激光原理也被广泛应用到了雕琢工作中。而激光原理在非金属资料上进行雕琢的形式可分为两种。其一,点阵雕琢法。在点阵雕琢法雕琢过程中需要通过操控激光头左右摇摆雕琢出一条线,这个线是由一系列点组成的。在雕琢完一条线之后,应上移或者下移激光头雕琢其他线,直至完成整个图案的雕琢。以矢量化图文、文字为例,都可采用点阵雕琢法完成具体的雕琢工作。其二,矢量切开。矢量切开作为雕琢方法之一,它主要是利用雕琢机在图文外轮廓线进行雕琢,整个雕琢过程需要设置相应的雕琢强度、雕琢速度等指标。同时,在指定激光强度下,雕琢速度与切开深度之间保持着反比例关系。因而,操作人员应根据金属板、有机玻璃、双色板、氧化铝等材料雕琢要求调控各项指标,达到最佳的雕琢效果。此外,在对雕琢速度进行调整时,可利用雕琢机面板将雕琢速度控制在最佳状态,并使用2.0英寸透镜,让激光雕琢质量变得更加细腻。

3结语

综上所述,经济社会不断发展,科学技术水平不断提升,激光技术的重要价值越来越突出。为了发挥激光技术的实用价值,必须掌握激光的基本原理,对激光生成原因进行分析,扩展激光技术的范围。

【参考文献】

[1]牛芳.激光技术发展的启示[J].山西科技,2005(03):84-85.

[2]赵一鸣,李艳华,商雅楠,李静,于勇,李凉海.激光雷达的应用及发展趋势[J].遥测遥控,2014,35(05):4-22.

[3]李宏伟.军用大气激光通信系统特性及应用研究[D].国防科学技术大学,2006.

作者:赵一霈 单位:河南大学

激光生物学报责任编辑:张雨    阅读:人次