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| 激光的應用領(lǐng)域 | | 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間:6月16日 查看次數:560次 | 激光的應用
激光，作為一種新類(lèi)型的光登上舞臺，帶來(lái)光學(xué)應用技術(shù)的革命，在生產(chǎn)、生活、國防的各個(gè)方面都有著(zhù)應用，已成為幾乎所有現代技術(shù)依賴(lài)的手段。僅就常見(jiàn)的應用作簡(jiǎn)要介紹。
一．激光在自然科學(xué)研究上的應用
1．非線(xiàn)性光學(xué)效應
在熟悉的反射、折射、吸收等光學(xué)現象中，反射光、折射光的強度與入射光的強度成正比，這類(lèi)現象稱(chēng)為線(xiàn)性光學(xué)現象。如果強度除了與入射光強度成正比外，還與入射光強度成二次方、三次方乃至更高的方次，這就屬非線(xiàn)性光學(xué)效應。這些效應只有在入射光強度足夠大時(shí)才表現出來(lái)。
高功率激光器問(wèn)世后，人們在激光與物質(zhì)相互作用過(guò)程中觀(guān)察到非線(xiàn)性光學(xué)現象，如頻率變換，拉曼頻移、自聚焦、布里淵散射等。
2．用激光固定原子
氣態(tài)原子、分子處在永不停息的運動(dòng)中（速度接近340m/s），且不斷與其它原子、分子碰撞，要“捕獲”操縱它們十分不易。1997年華裔科學(xué)家、美國斯坦福大學(xué)朱棣文等人，首次采用激光束將原子束冷卻到極低溫度，使其速度比通常作熱運動(dòng)時(shí)降低，達到“捕獲”操縱的目的。
具體作法是，用六路兩兩成對的正交激光束，沿三個(gè)相互垂直的方向射向同一點(diǎn)，光束始終將原子推向這點(diǎn)，于是約106個(gè)原子形成的小區，溫度在240μK以下。這樣使原子的速度減至10m/s量級。后來(lái)又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在約1s內從控制區墜落后被捕獲。
此項技術(shù)在光譜學(xué)、原子鐘、研究量子效應方面有著(zhù)廣闊的應用前景。
二. 激光測距 激光雷達 激光準直
利用激光的高亮度和極好的方向性，做成激光測距儀、激光雷達和激光準直儀。
激光測距的原理與聲波測距原理類(lèi)似，因為光速c已知，只要測量從激光發(fā)射至接收到從物體反射回來(lái)的激光的時(shí)間間隔即可。
激光雷達與激光測距的工作原理相似，只是激光雷達對準的是運動(dòng)目標或相對運動(dòng)目標。利用激光雷達又發(fā)展了遠距離導彈跟蹤和激光制導技術(shù)，這些在1991年海灣戰爭中都已投入實(shí)用。激光制導導彈，頭部有四個(gè)排成十字形的激光接收器（四象限探測儀）。四個(gè)接收器收到的激光一樣多，就按原來(lái)方向飛行；有一個(gè)接收器接收的激光少了，它就自動(dòng)調整方向。另一類(lèi)激光制導是用激光束照射打擊目標，經(jīng)目標反射的激光被導彈上的接收器收到，引導導彈擊中目標。
激光準直儀起到導向作用，例如在礦井坑道的開(kāi)挖過(guò)程中為挖掘機導向。激光準直儀還被用在安裝發(fā)動(dòng)機主軸系統等對方向性要求很高的工作中。
三．激光用在加工領(lǐng)域
以激光良好的單色性和相干性為基礎。激光全息技術(shù)可以用作無(wú)損探傷，即不用損壞零件便可檢測出零件內部的缺陷。
利用激光的亮度高和方向性好可以在機加工領(lǐng)域大有作為。如可以在零件上打一般鉆頭不能打的異形孔和尺寸達微米級的小孔。利用激光進(jìn)行切割，具有速度快，切面光潔，不發(fā)生形變的特點(diǎn)。激光焊接可焊一般焊接法不能焊的難熔金屬。還可以利用激光亮度高、能量集中、可通過(guò)理論計算進(jìn)行控制的特點(diǎn)對金屬工件表面進(jìn)行改性處理。
四. 激光信息處理
激光技術(shù)能大幅度提高信息處理能力，特別是引入激光全息技術(shù)后。
全息技術(shù)是1948年英國科學(xué)家蓋伯提出的一種新成像原理�！叭ⅰ币辉~引自希臘語(yǔ)，是“完全”的意思。但由于當時(shí)沒(méi)有好的相干光源，因而無(wú)法獲得好的相干像片。激光的出現，使全息術(shù)飛速發(fā)展成為一個(gè)新領(lǐng)域，蓋伯因此獲1971年諾貝爾物理學(xué)獎。
普通照相的原理是，物體表面發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡成像落到感光底片上，底片記錄下物體的光強分布，再翻印到相紙上，呈現出物體的平面圖像。普通照相只記錄了物體表面的光強分布，沒(méi)有記錄到物體各部分到觀(guān)察者的遠近和角度，即沒(méi)記錄下物體發(fā)出光線(xiàn)的相位分布，這樣的像沒(méi)有立體感。
全息照相是用相干光照射物體，從物體反射或漫射的光不是經(jīng)透鏡成像而是直接照射到全息底片上，用干涉圖樣把那些光的光強分布和相位記錄下來(lái)。底片上并沒(méi)有被拍物體的形象，在顯微鏡下看到的是一幅長(cháng)短不一、間距不等、走向不同的復雜干涉條紋，稱(chēng)為全息圖。
要想看到物體形象，再用相干光按一定方式照射全息圖，便在一定方向可看到物體的像，稱(chēng)為再現。再現的是從物體反射或漫射的光束本身，所以像是立體的。
光刻技術(shù)，如光刻集成電路、光盤(pán)。光盤(pán)的外形有點(diǎn)像唱片，寫(xiě)入讀出的原理也和機械唱片差不多，只是用激光束來(lái)代替唱針，因為激光的相干性很好，用聚光系統可以把激光聚焦成比針頭還細小的光束，所以它在介質(zhì)上寫(xiě)入信息所占空間尺寸可以非常�。ㄐ∮�1nm）因而信息存儲密度很大。CD、DVD盤(pán)是用聲音調制了的激光束刻制光盤(pán)，由于在讀寫(xiě)光盤(pán)時(shí)光點(diǎn)與光盤(pán)無(wú)機械接觸，就不存在由摩擦引起的雜音，同時(shí)也無(wú)磨損，因而光盤(pán)音質(zhì)佳、壽命長(cháng)。
五. 激光通信
激光通信也是利用激光束單色性好，方向性好的特點(diǎn)。
要想提高傳遞信息容量比較有效的辦法是提高載波的頻率，如用波長(cháng)10cm的電波代替波長(cháng)100m的電波，通信容量可以提高1千倍，所以從19世紀開(kāi)始不斷發(fā)展短波通信。最初使用波長(cháng)幾千米的無(wú)線(xiàn)電通信（長(cháng)波通信），后來(lái)發(fā)展為波長(cháng)幾百米的中波通信，20世紀50年代又發(fā)展厘米級的微波通信，波長(cháng)再縮短進(jìn)入光波波段，光波的頻率在1014HZ-1015HZ之間，厘米波的頻率是1010HZ左右，所以光波通信的容量又比微波通信提高1萬(wàn)倍到10萬(wàn)倍。
普通光源發(fā)出光波是不能作通信載波的，因為普通光源發(fā)出的光單色性不好，若用這種光波作載波，相當于同時(shí)有多套頻率的節目到達接收器。激光提供了單色性很好的光波，光波通信才進(jìn)入實(shí)用化階段。
利用光波作載波的通信方法與微波通信類(lèi)似，激光器輸出的光束經(jīng)過(guò)光電調制器調制后送到發(fā)射天線(xiàn)（一只光學(xué)反射鏡）發(fā)射出去。在用戶(hù)接收端，接收天線(xiàn)（也就是反射鏡）把傳送過(guò)來(lái)的光信號匯集到光電接收器上轉換為電信號，再經(jīng)電放大和解調后就可以得到所傳遞的信息。在實(shí)際應用中為避免光波在大氣中傳播的損失，光信號是在光纖內傳遞的，光信號在光纖中的損耗很小。
現在發(fā)展的光計算機是用光波束代替電流構造計算機，會(huì )獲得更高的運算速率和容量。
在顯示技術(shù)上，激光液晶大屏幕將代替陰極射線(xiàn)管，有可能成為21世紀電視的主角。
六. 激光的生物應用
生物育種上可以采用“誘發(fā)育種”方法培育良種。誘發(fā)育種有化學(xué)誘變、核輻射誘變、光誘變等。激光照射屬光誘變。生物組織吸收激光能量后，將會(huì )使生物體發(fā)生光-生物熱效應、生物光壓效應、生物光化學(xué)效應、生物電磁效應和生物刺激效應，由此引起生物遺傳異變。我國已用激光照射種子培育新品種，改善品質(zhì)。
七. 激光用于醫學(xué)領(lǐng)域
利用高亮度激光束產(chǎn)生的熱效應以及單色性好的激光束產(chǎn)生的生物效應可以治療疾病，現在激光技術(shù)已成為醫學(xué)中的新技術(shù)，開(kāi)始形成一個(gè)新的醫學(xué)分支——激光醫學(xué)。主要應用有：
1. 激光刀
激光刀是通過(guò)光學(xué)系統聚焦激光束，將其作用于生物體組織，在短時(shí)間內使之燒灼和氣化。當光束以一定速度移動(dòng)時(shí)，能把組織切開(kāi)，起到手術(shù)刀的作用。激光的能量把組織中的血管、淋巴管燒結封閉起來(lái)，減少出血量，在做腫瘤手術(shù)時(shí)也可防止腫瘤擴散。利用激光脈沖時(shí)間短（小于千分之一秒）、激光束很細，可以進(jìn)行精細的眼科手術(shù)，病人的眼睛還來(lái)不及轉動(dòng)，“刀”已經(jīng)下去了。激光刀與手術(shù)部位是非接觸性的，因而是自身消毒手術(shù)。
2．激光纖維內窺鏡
借助于光纖，可以提高管腔內選擇治療效果。用光纖把激光引入人體內部施行手術(shù)，避免一些剖腹大手術(shù)。將激光內窺鏡插入血管，用激光蒸發(fā)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊，焊接血管；用激光在生物體內產(chǎn)生沖擊波可粉碎腎結石、輸尿管結石等。
3．低功率激光的應用
弱激光（功率1W）對生物組織有刺激、鎮痛、消炎、擴張血管等作用，用弱激光照射病灶，有治療效果。利用弱激光照射穴位，可產(chǎn)生類(lèi)似針炙的效果。低強度He-Ne激光血管內照射可治療腦梗塞、頸椎病、冠心病等缺血性疾病。
4．利用激光進(jìn)行基礎醫學(xué)研究和疾病的檢測診斷
可以利用相應的激光儀器，研究細胞、亞細胞和大分子的結構以及一些特殊細胞的生物學(xué)過(guò)程，例如可以借助于激光微束儀，把激光束聚焦到0.5μm-1.0μm，用以切割和焊接細胞，研究生物的遺傳規律。
激光診斷目前主要是應用激光的光譜技術(shù)、干涉技術(shù)等，通過(guò)對血液、尿液和人體其它組織成分的測定，無(wú)損傷地鑒別待測組織是否發(fā)生病變。
八. 激光與能源
激光與能源密切相關(guān)的應用是激光分離同位素和激光核聚變。
在第七章提到用235U作核燃料要對鈾同位素進(jìn)行分離，有利用鈾核質(zhì)量不相同的氣體擴散法和離心分離法等，由于235U與238U在大小和重量上相差很小分離困難。激光出現后，利用激光的單色性，使235U選擇性電離（原子分離法）或選擇性離解（分子分離法），達到分離目的。利用激光還可對其它同位素進(jìn)行分離。 |
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