淺談激光原理及其實(shí)際應(yīng)用

趙一霈

（河南大學(xué) 河南 開封 475000）

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，遵從玻爾茲曼分布，即上下能級之間粒子數(shù)的正常分布，但是只有在能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的兩個能級之間才有可能產(chǎn)生激光輻射，也就是通過泵浦抽運(yùn)，外界向激光工作物質(zhì)提供能量使得高能級上的粒子數(shù)分布多于低能級上的粒子數(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)的某對能級之間發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時，頻率處于這對能級之間自發(fā)輻射譜線寬度內(nèi)的微弱光信號在該介質(zhì)中傳輸時，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，又會使光信號不斷衰減，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)來回一次所得到的增益大于損耗時，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 測量工作

激光可以被應(yīng)用在測量工作當(dāng)中。與傳統(tǒng)測量方法相比，激光具有突出的測量優(yōu)勢：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)。以激光作為測距儀的光源，可以使測距量程大大提高，減少了測量環(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，縮小了測量儀器的體積和質(zhì)量。其基本原理是利用光在待測距離的往返時間算出距離。激光測距的方法也多種多樣，例如按照不同檢測時間的方法可分為脈沖激光測距和相位測距。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)建三維立體測量圖，加快信息數(shù)據(jù)的傳遞速度。就目前來看，激光測量設(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

激光通信和無線電通信在原理、結(jié)構(gòu)及通信過程方面都是類似的，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)包括三個主要部分，即信號發(fā)送部分、信號傳輸部分，信號接收部分。激光通信中，首先將傳遞的信息，例如文字、語言、圖像等轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再把這個電信號加載到由激光器產(chǎn)生的載波上，其中的調(diào)制過程由激光調(diào)制器完成，然后激光載著被傳遞的信號向接收點(diǎn)傳播，在接收部分，即把被調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。接收系統(tǒng)由接收天線，光檢測器，信號變換器等完成。為增加接收靈敏度，有時采用光放大、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很強(qiáng)的熱源來使用，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?？欤@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?？?，由于激光打孔是非接觸的，可以防止加工過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。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)自動化程度高，有著無污染、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/秒的狀態(tài)，打標(biāo)成本是0.00048元/個，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。因為，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，激光光束移動速度可達(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，由于激光打標(biāo)法屬于非觸摸式打標(biāo)法。所以，整個操作過程不會產(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)市場競爭力。

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，不會增加工件的外力，造成工件裂縫和變形現(xiàn)象。同時，激光切開，作為一種無觸摸式切開方式，不存在刀具磨損問題，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。自上個世紀(jì)六十年代開始，發(fā)達(dá)國家就將激光技術(shù)應(yīng)用在軍事戰(zhàn)爭中，取得了較好的實(shí)用效果。激光能量驚人，破壞力非常大，可以在短時間內(nèi)對敵人造成巨大沖擊。從某個角度來看，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)是一種通過探測距離目標(biāo)的散射光特性來獲取目標(biāo)的相關(guān)信息的光學(xué)遙感技術(shù)，以激光束取代無線電波，用振幅、相位、頻率和偏振來搭載信息，在重復(fù)測距的同時，以細(xì)激光束對空間掃描，把從探測方向返回來的反射光強(qiáng)加以變化，不僅能夠精準(zhǔn)測距，而且能夠精準(zhǔn)測速、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)陣雕琢法雕琢過程中需要通過操控激光頭左右搖擺雕琢出一條線，這個線是由一系列點(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，整個雕琢過程需要設(shè)置相應(yīng)的雕琢強(qiáng)度、雕琢速度等指標(biāo)。同時，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)控各項指標(biāo)，達(dá)到最佳的雕琢效果。此外，在對雕琢速度進(jìn)行調(diào)整時，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

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