激光与激光器的初步动态研究

发表时间:2019/1/9   来源:《防护工程》2018年第29期   作者:胡佩菊
[导读] 激光技术与原子能技术、计算机技术、半导体技术是二十世纪四项最重要的技术发明。

广州工商学院电子信息工程系  510850
        摘要:激光技术与原子能技术、计算机技术、半导体技术是二十世纪四项最重要的技术发明。激光技术是目前我国日常工业生产及国土安全发展的高新技术之一。掌握激光产生以及激光器的基本原理,是激光技术应用的重要前提,同时对目前激光技术应用进行了简单研究。
        关键词:激光;激光器;基本原理;激光应用
       
       
        引言
        激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术,传统上看,它的研究范围主要归纳为人们日常生活的工业生产,如激光加工工艺,激光焊接,激光切割,激光打标激光打孔,激光热处理,激光快速成型,激光涂敷。其中激光快速成型是目前新型的研究结果,利用激光技术和计算机数控技术以及柔性制造材料技术相结合而形成的,多用于模型行业。这些大多数用于工业生产的激光器多为YAG激光器,CO2激光器和半导体泵浦激光器[1]。我国科学院研究所关于激光器的报告提到若干最新的激光应用的进展。利用激光雷达可测大气温度,水分,冰晶,可以补充光学测距的缺点,进行3D建筑雷达测距。利用激光进行各种工业清洗技术,具有绿色环保,非接触,选择性强等优点,激光测速度,安全性测试等应用优点[2]。
        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激光器
        顾名思义,激光器是一种能发射激光的装置。一般而言,按工作介质分类,激光器可分为固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器4大类。激光器的组成一般由3个重要部分构成,即工作物质、激励抽运系统、谐振腔。其中激光工作物质是一种激光增益的媒介,其原子或者分子的能级差决定了激光的波长与频率。


激光抽运系统是指为使激光器持续工作给予能量的源头,它实现并维持了工作物质的粒子数反转。光学谐振腔是激光生成的容器,有多种多样的设计方式,是激光器设计的核心[3]。而最新研究发明中,纳米等离子体激光器的激光操作时基于银纳米粒子钡放置在一个周期阵列中,与传统的激光信号的反馈是通过普通的镜子的激光器相比,这种纳米激光器利用银纳米粒子之间的辐射耦合,利用有机荧光粉提供所需的激光输入能量(增益),这为生物技术,信息存储,光子医学诊疗等方面提供了技术选择[4]。
        3激光的实际应用
        3.1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。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[5]。
        3.2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[6]。
        3.3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。

投稿 打印文章 转寄朋友 留言编辑 收藏文章
  期刊推荐
1/1
转寄给朋友
朋友的昵称:
朋友的邮件地址:
您的昵称:
您的邮件地址:
邮件主题:
推荐理由:

写信给编辑
标题:
内容:
您的昵称:
您的邮件地址: