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激光技术在多个领域的应用与研究进展(广东 **大学 理学院,广东
【摘要】 自 1960年第一台红宝石激光器问世以来,激光器和激光放大器的发展 非常迅速。激光工作物质已包括晶体、玻璃、光纤、气体、半导体、液体及自由电 子等数百种之多。激光器诞生后 , 以激光器为基础的激光技术得到了广泛的应用 , 对 军事、经济、工农业产生了很大的影响 , 取得了很好的经济效益和社会效益。本文简 单的列出了激光在在多个方面和领域的应用和激光现在的发展技术。随着激光技术 的不断发展和成熟,必将对我们的生活生产和科技起到不可估量的作用。
【关键词】 激光技术 激光应用 激光进展 激光通信 激光医学 激光工程
一、引言
激光原理发现和激光器的诞生是 20 世纪科学技术的一项重大成就。是与原子 能、半导体、算机齐名的四项重大发明之一。激光的发明 , 是光学发展并与其他科 学技术领域紧密结合和相互渗透的产物。激光的出现不但引起了光学革命性的发展, 冲击了整个物理学,并且对其它学科如化学、生物学和技术及应用学科如电机工程 学、材料科学、通信、医学等都产生了巨大的影响。
二、激光在通信领域的应用与研究进展
激光通信依传输介质的不同,分为四种:光纤通信、大气通信、空间通信、水 下通信。
激光器在通信领域的应用 , 发展了光纤通信业 , 光纤通信在军、民用方面都得到 快速发展,它可工作在几十兆赫的短波、超短波波段,也可工作在微波波段一改过 去通信容量有限的面貌。基于 MEMS 技术的波长可调谐激光器被认为是光纤接入网的 最佳选择 【 1】 ,因其具有快速、低功耗、大调节范围的优点,现已逐步得到国内各重 要光通信研究机构的认同和追逐 【 2】。数字光纤通信用激光器代替模拟光纤通信用激 光器, 通过温度控制、预失真补偿电路等线性补偿方法, 以及在输入
端采用 AGC、固 定衰减器等动态范围补偿的方法,使数字光纤通信用激光器在线性度以及动态范围 两方面得到很大的提高,达到模拟光纤通信用激光器的水平,可以应用于短波、超 短波以及微波波段的模拟光纤通信中 【 3】。
大气激光通信是以大气作为传输介质的通信,是激光出现后最先研制的一种通 信方式。虽然大气的吸收、色散使得利用激光在地面上通信具有某种界限,但是目 前已利用气体激光器制造出能在良好气候的晚上传输信息达几百公里,在良好气候 的白天传输信息达几十公里的设备。光通信不但可以传送电话, 而且可以传送数据、传真、电视和可视电话等。现在研究工作主要集中在增大通信距离,提高全天候性 能和传输速率以及实现移动通信等方面 【 4】。21世纪是光电技术突飞猛进的年代, 大气激光通信技术势必将有较大的提高和发展,尤其是在电磁频谱复杂,电子干扰 日益强烈的战场环境,光通信显得尤为重要。因此研究和发展激光通信,加大通信 距离,实现全天候移动通信,是电子对抗和通信对抗的需要,也是未来发展的趋势 之一。
自由空间激光通信是利用激光作为载体在外空间进行高速率、大容量、高保密
性能的空问通信。其中包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星问的光通信,有 GEO(geosyn— chronous earth orbit, GEO 一 GEO、GEO — LEO(10w— earth orbit, LEO、LEO — LEO、LEO 一地面等多种形式,同时还包括卫星与地面站之间的通信 ⋯。空间机群指挥也是空间光通信的军事应用目标。由于不受大气粒子的影响,又具有 无损耗、无干扰、成本低、体积小、重量轻等优点,空间卫星光通信受到了相当的 关注 【 5】。空间激光通信系统从功能上分为通信分系统和捕获、跟踪、对准(ATP分系 统。通信分系统除实现高速率、高功率发射和宽带高灵敏度接收外,还将通信 束散角以非常狭窄的光束发射(近衍射极限,一般为十几微弧度量级。这是使空间 激光通信具有远距离、轻小型、高速率通信能力的基础 【 6】。空间激光通信系统经过 近 20年的快速发展.系统中的诸多关键技术已经取得了突破。目前,国际上已经成 功开展了多个链路的演示验证, 但是距离实际 T 程应用尚有距离。一方面是其丁程性、成熟度、可靠性还需要进一步提高.另一方面
是其通信速率尚没有充分发挥光通信 的技术优势.还需要不断提高以满足现代信息化的需求。
随着高新技术的发展,水下捕捞、探测、控制等的需要,逐渐形成了水下通信 这一个特殊的应用领域。由于海水对频率较高的电磁波的强吸收作用,电磁波在水 中的能量衰减很严重,几乎无法穿过海水传播,以致造成了传统电波在水下通信应 用中的无效性。激光器的发明和应用促进了光通信的发展, 更为水下 光通信带来了 福音,因此对具有高数据传输速率、优良的保密性和抗干扰性的水下通信研究有重 大的战略意义。美国在多次海上激光对潜通信试验的基础上,开展了星载对潜通信 的全面论证,计划采用装有大功率固体激光器的离地面仅有几百千米的廉价、低轨 道卫星, 代替先前计划采用的地球同步卫星, 以开展双工卫星-潜艇激光通信系统的研究 【 7】。
三、激光在医学领域的应用与研究进展
激光是一方向性强, 单色性能好和能高度集中的相干光束, 利用透镜能聚焦成 非常小的光点,在光点上其能量密度非常高,并且可以在几个微秒或几个毫秒之内 发生作用,激光的光点经聚焦以后其直径可达几十个微米,因而在治疗时可以精确 地选择病变部位 【 8】。激光以其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。激光治 疗最早应用于眼科,对视网膜剥离、眼底血管
病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗。激光手术刀具有术中 出血少, 可减少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的 “光针” , 对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。激光技术为现代医学提供了一种“神力” ,能够 治疗内科、外科、眼科、皮肤、肿瘤和耳鼻喉科的 100多种疾病 【 9】。
低强度医用激光器利用光生物调节作用(photobiomodulation, PBM 调节细胞、器官或组织的功能。PBM 是低强度单色光或激光(10w intensity monochromatic lightor laser irradiation , LIL 对生物系统的一种非损伤非热的光化学调节作用。与
分子发生共振作用的激光波长称为分子的特征波长。内源性光敏剂的特征波长在 可见光区域。细胞膜蛋白的特征波长比长波紫外(320~400nm(ultraviolet A.UVA 短。uL 作用对象的基本单位是细胞, 介导细胞 PBM 有两条通路:内源性光敏剂介导 PBM 的特异性通路,主要通过适量活性氧(reactive oxygenspecies , ROS 进行调节;细 胞膜上蛋白质分子介导 PBM 的非特异性通路,主要通过信号转导和基因表达进行调 节,服从 PBM 的生物信息模型。
高强度医用激光器利用高强度激光(tugh intensity laserirradiation.HIL 的光热效应、冲击波和光声效应等进行手术。HIL 手术和 PBM 在医学中的应用几乎总 是各自独立发展。HIL 光束中心强度非常高,可能损伤损伤半径以内的细胞,但光束在损伤半径以外的平 均强度属于低强度范围,可以对损伤半径以外的细胞产生 PBM。HIL 光束损伤半径以 外的部分对没有损伤的细胞所产生的 PBM 可以简单地称为高强度激光生物调节作用(HILbiomodulation, HBM。所以 HIL 光束在损伤半径以内可以切除组织;损伤半径 以外的 HBM 依赖于 HIL 在损伤半径以外的平均剂量,可促进剩余器官的生长乃至恢复 器官的正常功能,或抑制剩余组织的生长 【 10】。
四、激光在工业领域的应用与研究进展
激光因具有单色性、相干性、和平行性三大优点,将此应用于材料加工,形成 一门新型的加工工业——激光工业。激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工 对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,与计算机数控技术相结合, 可构成高效自动化加工设备。广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制 造等重要部门,对提高劳动生产率、产品质
量、自动化、无污染、减少材料消耗等起重要作用 【 11】。经过不断的研究开发,激光 已经广泛应用于切削加工、焊接、表面工程技术、非金属材料和硬质合金加工等方 面。
激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度激光束辐照加热, 使熔覆材料和基材表面薄层发生熔化,并快速凝固,从而在基材表面形成与其为冶 金结合的添料熔覆层田。激光熔覆具有如下优点:激光束的能量密度高,加热速度 快,对基材的热影响较小,引起工件的变形小;控制激光的输入能量,可将基材的稀释作用限制在极低的程度(一般为2％～8％，从而保持了原熔覆材料的优异性能； 激光熔覆层与基材之间结合牢固(冶金结合，且熔覆层组织细小。这些特点使得激 光熔覆技术近十年来在材料表面改性方面受到高度的重视 【12】。激光堆焊可以获得高性能(如耐磨性、耐腐蚀性能、抗氧化性能、热障性能等 的合金堆焊层，而且具有激光堆焊层与基体的结合为冶金结合，组织极细，覆层成 分及稀释率可控，覆层厚度大，热变形小，易实现选区堆焊，工艺过程易实现自动 化等特点。因此激光堆焊技术在材料的表面处理方面倍受关注，并在工业易损件修 复、双金属零件的制造等方面应用上已经取得了一定的成果。激光堆焊材料的成分 直接决定了堆焊层的使用性能，为了适应复杂的应用环境，人们研究出了多种成分、多种形态的堆焊材料。目前常用的堆焊材料为铁基合金、钴基合金、镍基合金。它 们共同的特点是较低的应力磨粒磨损能力，优良的耐磨蚀、耐热和抗高温氧化性能。其中铁基合金不仅因其价格低廉、而且由于通过调整成分、组织。可以在很大范围 内改变堆焊层的强度、硬度、韧性、耐磨、耐蚀、耐热和抗冲击性。是应用最为广。泛的一种堆焊合金【13】 激光对金属材料的表面处理，是近十年来发展起来的一项新技术。无论是对黑 色金属还是有色金属，在实践的应用中它都显示了独特的优越性，并在工业生产上 得到了广泛的应用。用激光处理金属，一般是以一定模式的激光光束对准工件需处 理的部位，由工件随工作台的移动（转动或平移）来实现激光扫描。为防止表面氧 化及等离子体的生成，常采用惰性气体保护系统，一般工件的处理均为空冷，有些 特殊要求件也可采用液氮冷却 【14】。由于激光加工显示出明显的质量和效益上的优越 性，使其应用得到迅速发展。6 激光打标可以按激光与材料作用的方式分为表面打标(如雕刻和材料转化(如 漂白。激光表面打标作为较早的一种方法，它是利用蒸发或烧蚀材料表面的一个浅
层来产生所需的标记。近年来，越来越盛行在塑料的亚表面打标。这种方法通常添 加某种敏感的颜料，激光经光化学作用改变塑料或所加颜料的颜色 【15】。未来的世纪，激光技术的新应用将不断使奇迹变得平凡，激光发展的历史证 明了这一点。激光技术将更深人地与人类的发展相联系，她会默默地服务于我们的 生活而不为我们所感知。参考文献： 【1】 牛燕炜，朱守正，陈燕仙，等.MEMS 开关可重构矩形缝隙环天线的设计[J].通信技术 2008(12：55-60.【2】 苏福根，金经莉.光纤通信中的 MEMS 外腔可调谐激光器技术 【J】.通信技术，2009，42（7）：393-396.【3】 王景国，曾奕衡.数字激光器在模拟光纤通信中的应用【J】.光纤与电缆及 其应用技术，2008（1）：38-40.【4】 王海先.大气中的激光通信技术 【J】.红外与激光工程，2001，（1）45-49.30 ： 【5】 陈娅冰，赵尚弘，朱蕊蘋，等.自由空间卫星激光通信【J】.系统工程与电 子技术，2003，25（9）：1173-1175.【6】 佟首峰，姜会林，张立中.高速率空间激光通信系统及其应用【J】.红外与 激光工程，2010，39（4）:649-654.【7】 邓小芳，周胜源，林基明.水下光通信系统的建模与仿真【J】.光通信技术，7 2009，33（6）：41-42.【8】 朱菁.激光医学【M】.上海：上海科学技术出版社，2003.【9】 王晓敏，陈培昕，李怡勇.激光在临床医学中的若干应用与进展【J】.医疗设 备信息，2006，21（6）：42-44.【10】 刘承宜，刘江，张燕，等.激光医学原理与医用激光器【J】.激光与光电子 进展，2006，43（9）：31-35.【11】 戴波.激光技术与工业应用【J】.装备制造技术，2009（2）：127-128.。在医学领域,建立了激光医疗产业, 【12】 刘录录，孙荣禄.激光熔覆技术及工业应用研究进展 【J】.热加工工艺，2007，36（11）：58-60.【13】 王小范，姚建华，张群莉.激光表面堆焊技术的应用及展望【J】.兵器材料 科学与工程，2005，28（4: 67-70.【14】姚建华，苏宝蓉.金属表面激光处理技术及其工业应用【J】.电力机车技术，2002，25（5）：28-30.【15】苏红新.激光打标的应用趋势【J】.光电子技术与信息，1998,11(3:32-35.8
