激光原理与技术第四章.doc

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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。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HeNe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30100W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1.06m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12米，测量精度可达0.2m，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1107以内，测量精度最高可达0.005。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0.5，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2030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1020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6070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10.6m，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。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. 激光微调机激光微调机可用于薄膜电路，组合件生产工艺中，激光刻字，刻图，打标也列入此类仪器，微调机多采用声光调Q的高频YAG激光器，频率范围在1kc20kc之间，峰值功率为100010000瓦，脉冲宽度200ns左右。微调机能开出小于3的金属槽，用于自动化薄膜电阻微调是非常成功的，每小时微调电阻达万只，精度能达到0.010.02。二. 激光加工主要参数计算在激光加工中，最关心的参数是激光聚焦光斑尺寸，激光功率密度，材料达到的温度以及所需激光总功率等。1. 光斑直径与功率密度设激光输出功率为P，光束角为，用焦距为f的透镜聚焦，由几何光学知识可得到光斑直径d= f (4.2-1)功率密度 （4.2-2）激光输出功率和光束角可通过测量获得，代入（4.2-2）式算出聚焦点的功率密度。在加工中总是希望光斑尺寸尽量小，但是光斑尺寸是受衍射限制的，我们可通过衍射理论算出激光光斑直径。如果把激光束的高斯光束近似看成平面波，则聚焦透镜后焦平面上光斑衍射花样应是夫朗和菲衍射，即焦点处的衍射光斑是透镜处光强分布的付里叶变换。激光光强假定是均匀的，设其光强为单位光强，并垂直照射加工件，则透镜处的照明函数为1，透射函数为激光限孔的圆域函数。即透镜处的光强分布函数为式中a为限孔半径。在焦点处的光振动分布F，式中C为常数，由圆域函数的付里叶变换得到 （4.2-3）其中为一阶贝塞尔函数，焦点处光强分布 （4.2-4）式中把代入（4.2-4）式中，做与的曲线如下：第一个零点对应，D为限孔直径，D2a，所以 （4.2-5）通常认为为激光在焦点处的光斑直径，此时的功率密度为： （4.2-6）2.材料温度光强为I的激光射到加工工件表面上，一部分被反射，一部分被吸收，特别是金属，根据金属的性质，入射到表面的激光深入不到一个波长便可全部吸收，吸收的光能变成热量使材料温度升高，在表面深度为x处的光强为：为金属表面的入射光强，为金属材料吸收系数，一般是很大的。为了求出x处的温度，我们利用热力学的热传导方程，设光斑直径为a，强度均匀分布，光脉冲为矩形脉冲，作用时间为t，则瞬间加热的传导方程为：式中为温度，是深度x和作用时间t的函数。为热扩散率，为热导率，为密度，为比热。设边界条件为x0，t0时，T（0，0）0，t0时，T（0，t）常数。则传导方程的解为： （4.2-7）表示高斯误差函数，其形式为表示热流，即单位时间通过单位面积的热能。在加工表面，得到 （4.2-8）3.激光加工对能量的估算 为了使材料汽化，需要使材料温度升到熔点变成液态，然后再升到沸点使其汽化，因此需要总热量为： （4.2-9） 式中表示工作温度与熔点之差， 熔点与汽化点之差， 熔化热 汽化热 被汽化部分材料的质量。因为等于体积乘以密度，所以 （4.2-10）为加工深度，为加工孔径直径，为密度。上式忽略了传导、对流和辐射，认为所有吸收能量都用于汽化材料，如果考虑损失光能，需要激光能量还要大些。但实际上所需能量比计算值要小，这是因为加工时，由于急骤加到液化点，材料将产生飞溅现象，因此并不需把钻孔处或切口处的材料全部汽化。但是对于焊接应用必须尽量减少材料的飞溅，此时需要热量为： （4.2-11）当光滑金属表面存在反射时，需要热量为： （4.2-12）在计算时热量单位取焦耳，功率P单位为瓦，上式中R为平均反射率，热量Q乘以4.2是因为1卡=4.2 焦耳。4.3 激光医疗激光医疗是一门新兴的激光应用技术，目前国际上推出的激光医疗仪器有40多种，包括诊断、治疗和基础医学研究等。目前我国激光医疗器械生产厂家约有六、七十家，形成了以上海、北京、吉林省、江苏省、湖北省、安徽省等多处生产基地。主要产品是YAG激光治疗机，CO激光治疗，He-Ne激光理疗机三大类别。此外，氩离子激光治疗机也有少量产品。激光治疗在许多医科都得到应用。最成功的是表皮鲜红斑痣光动力疗法，有效率90%以上，配合内窥镜治疗内腔肿瘤和息肉也达到显效程度，此外，眼科治疗，耳鼻喉科手术，妇科，泌尿科也获得成功应用，特别是用激光结合搭桥术治疗心肌梗塞在北京安贞医院等也取得成功。所以说，激光治疗大有发展前途，在世界上正处于蒸蒸日上的发展趋势！一. 激光治疗机理激光对生物体的作用以及治疗机理，目前还有许多问题需进一步研究。但是已经肯定的方面是光化学反应，热效应，光压和电磁场作用等。1. 光化学反应生物有机体吸收激光产生生物化学反应，使细胞内某些物质分解，生物体组织内有各种色素，它们有选择的吸收激光并由化学反应而引起破坏，细胞质和细胞核之间有许多黑色素颗粒，吸收一定的激光能量就会破坏整个细胞，如果这些细胞是病变组织，那么破坏后就相当抑制了病变的发展。在激光治疗中，总希望病变组织大量吸收激光而破坏，而对于正常组织和皮肤不产生影响，所以在选择激光时，要综合考虑，如果病变组织吸收率为A，正常组织透射率T，则AT的乘积越大越好，其最大值为1。特别是治疗皮下病变，比如血管瘤，选择大的AT值非常重要。例如YAG和CO激光器，前者工作波长为1.06，皮肤透过率在90左右，而血液吸收很大，所以治疗皮下血管瘤非常适合。而CO激光器工作波长为10.6，皮肤吸收很大，所以对表皮手术或皮肤切割比较合适。2. 激光热效应强激光可以在金属板上打孔、切割，可想而知产生的温度是相当高的，因此切割人的皮肤和肌肉当然不在话下。按医学和生物学实验，温度保温在50，人体内的脂肪和蛋白质就要受到破坏，造成细胞损伤。当温度达到2001000，人体内所有肌肉组织都要逐渐汽化、蒸发。100W的连续激光器，即或不聚焦，也能在一秒钟的时间内把耐火砖烧红，达到600-800的高温。如果用光学镜聚焦，在0.1秒便可达到1000以上，激光手术，切割病变组织就是利用激光的热效应，在瞬间达到高温而使组织汽化。3. 光压作用光有压力是众所周知的，但是普通光的压力不为人们所感知，而强激光的光压是明显的，如果激光能量密度达到108W/cm，产生的光压力约为3.4104达因cm2，相当于3.4102大气压，这个压力对人体内部是不可忽略的，它能使人体组织产生膨胀、变形等。4. 电磁场效应大家知道，用微波能够理疗，激光也是电磁波的一个波段，当聚焦后，功率密度达到106 W/cm2将会产生103V/cm的电场强度，这种电磁场在局部会使肌肉组织中的分子或原子产生振动，促使肌体细胞增加活力，使变形细胞组织复位，从而达到消炎止痛的作用。二. 激光治疗机简介1. 激光眼科治疗机图4.2 视网膜凝结机光路最简单的激光眼科治疗机是早期的红宝石视网膜凝结机，其光路如图4.2，观察光路与激光光路垂直，激光由双色分束板反射到患者眼中，反射板对激光产生全反射，而对自然光具有高透。观察镜实际是一个短焦瞄准望远镜，通过镜筒中的十字叉丝对准治疗部位。激光器输出光的位置可通过调整装置把聚焦光点精确调到瞄准镜十字叉对准的地方，激光器前面加滤光片和光阑是为了消除杂散光，衰减器是旋转可变衰减器，根据治疗需要调节激光能量的大小，由衰减器调节激光能量要比直接调节激光器工作电压更精确、可靠，在眼科治疗中，激光输出的稳定性和可靠性是非常重要的。用于视网膜焊接的眼科治疗机，激光能量在0.10.5焦左右，聚焦光斑直径约为0.20.8左右。如果治疗青光眼或白内障，一般用调Q强激光脉冲，对于青光眼是把激光聚焦到眼球后膜上，但要避开视网膜，用强激光造成后膜光学穿孔，渗出眼球玻璃体减轻眼压，恢复眼球调节能力，从而恢复视力。对于白内障则需把强激光聚到眼表障层上，用强激光打穿障层，恢复视觉功能。对于眼科治疗机，激光输出能量不太高，在技术上是容易达到的，关键技术是精确的瞄准和定位，而且要求激光有良好的重复性。2. 激光手术刀目前主要有CO2和YAG两种激光手术刀，对于小手术也可用氩离子激光器，CO2激光手术刀用于外科手术，而YAG激光手术刀除用于外科，还可用于内腔治疗，CO2激光是用导光臂把激光束引到切割或治疗部位，而YAG激光多用光纤耦合到治疗部位，由于光纤可通过内窥镜引到人体内脏器官，所以适合治疗各种内腔疾病。关于CO2激光和YAG激光及氩离子激光的医疗特性可见下表：激光类型参数 CO2ArYAG波长10.60.51.06传输方式导光臂光纤光纤皮肤穿透性低中高组织吸收高血液选择高低血凝固效应低中高开刀能力高低低下面是一种连续YAG激光手术刀的基本光路，如图4.3 图4.3 连续激光手术刀光路高功率连续YAG激光治疗机一般采用平-平腔，输出镜透射率T=10%-30%，腔长尽量紧凑，谐振腔内的光阑是为了治疗时用于脚踏开关，控制激光是否输出，短焦距透镜选取焦距在20mm左右，它把激光束聚焦成几十微米的光点，照在光纤的端面上。光纤对准焦点是通过五维调整架完成的。用光纤直接输出即可治病，比如治疗表皮血管瘤，通过内窥镜治疗直肠、胃、食道息肉、肿瘤等。如果做切割手术，需要把激光聚焦，光刀头就是一组光学透镜，把激光聚焦到一定距离，一般焦距至少大于5cm，否则在治疗时易污染镜头。当用CO2激光器时，只能用导光臂耦合，导光臂实际是多个反射镜组成的传光系统，每次反射为一节，一般用五节即可达到灵活曲向，最多可制成7节，每个反射节放置一块平面全反射镜，光束以45角入射。正好使反射光与入射光垂直，当反射镜以入射光为轴旋转时，不影响反射特性。但是却能使光束在平面上转360,用多块反射镜便可实现全方位自由转向。4.4激光计量在工业生产、科学研究、国防建设中经常需要对长度进行精密计量，而且需要高精度和高速度。由于激光具有亮度高，相干长度长的特点，在长度精密相干测量中是十分有效的，其测量精度是以往无法达到的。目前激光测长仪多种多样，下面仅介绍几个典型代表。一.激光干涉测长仪该仪器通常用He-Ne激光，激光器取单模稳频激光器，要求频率稳定度达到1，并用扩束镜将激光束扩展到56mm，成为平行光束，其光路图如图4.4。图4.4 激光干涉测长仪光路图装置中激光是线偏振的，电矢量振动方向垂直或平行入射面，锥体棱镜反回的光线与入射光线平行，但有一定位移d，其距离可通过上下平移锥体棱镜来调节，锥体棱镜三个互相垂直的平面全镀金属反射膜，反射光线保持原来的偏振方向。根据双光束干涉理论，干涉场可写成为两光束振动方向夹角，为位相差，。为程差，接受器5和6均接收相干光，每一路都等效于泰曼干涉仪，移动锥体棱镜3，接受器5和6交替出现明暗光斑。当两光束振动方向平行时，则有 （4.4-1）位相差中出现是因为两个接收器处于不同光路中，A、B两光路产生附加位相差，调节光楔7或改变接收器位置可使=，对于接收器A 时为极大值 时为极小值每出现一次极大，接收器便记录一个脉冲，若光锥3移动距离为S，则。如果出现极大次数为m，即测量时共记录m个脉冲，则，记录下m数便可知道移动距离S，也就是被测物体长度，而绝对误差为。在此方案中采用两个接收器，是为了记录长度在0之间变化时的精确值。由干涉公式 （4.4-2）当把加到示波器X偏转上，而加到Y偏转上，调节，则示波器上两个输入信号位相差为时，相当两个正交余弦信号叠加，其合成信号为圆轨迹。即当变化时（实际是S变化），在示波器上形成的李沙如图形为圆，当位相差随S改变，在示波器上合成的光点将扫出一个圆，光点位置与的关系如下：示波器上光点旋转一周，对应的变化量，由。，所以实际长度 （4.4-3）整数m可由显示器的计数得到，可在示波器上光点位置（最后停留位置）求出。的测量精度由示波器扫描圆大小和光点尺寸大小决定，也就是说，如何精确测出光点位置是实际测量精度的技术关键，在示波器屏幕上加上角度读盘和用读数显微镜观察可使的测量值精确到1度以内，因此长度测量精度可达。二.双频激光测长仪双频激光测长仪能克服工作点漂移，抗干扰能力强，测量范围宽，其分辨率可达0.005。双频激光器是通过加柱形磁铁产生塞曼劈裂制