激光原理和特性知识

发布日期:2015-11-04 14:24:38
 

(一)定向发光

普通光 源是向四面八方发光。要让发 射的光朝一个方向传播,需要给 光源装上一定的聚光装置,如汽车 的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜,使辐射 光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光,天生就 是朝一个方向射出,光束的发散度极小,大约只有0.001弧度,接近平行。1962年,人类第 一次使用激光照射月球,地球离月球的距离约38万公里,但激光 在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好,看似平 行的探照灯光柱射向月球,按照其 光斑直径将覆盖整个月球。

(二)亮度极高

在激光发明前,人工光 源中高压脉冲氙灯的亮度最高,与太阳 的亮度不相上下,而红宝 石激光器的激光亮度,能超过 氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高,所以能 够照亮远距离的物体。红宝石 激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯(光照度的单位),颜色鲜红,激光光斑明显可见。若用功 率最强的探照灯照射月球,产生的 照度只有约一万亿分之一勒克斯,人眼根本无法察觉。激光亮 度极高的主要原因是定向发光。大量光 子集中在一个极小的空间范围内射出,能量密度自然极高。

(三)颜色极纯

光的颜色由光的波长(或频率)决定。一定的 波长对应一定的颜色。太阳光 的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间,对应的 颜色从红色到紫色共7种颜色,所以太 阳光谈不上单色性。发射单 种颜色光的光源称为单色光源,它发射 的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源,只发射 某一种颜色的光。单色光 源的光波波长虽然单一,但仍有 一定的分布范围。如氪灯只发射红光,单色性很好,被誉为单色性之冠,波长分布的范围仍有0.00001纳米,因此氪灯发出的红光,若仔细 辨认仍包含有几十种红色。由此可见,光辐射 的波长分布区间越窄,单色性越好。

激光器输出的光,波长分布范围非常窄,因此颜色极纯。以输出 红光的氦氖激光器为例,其光的 波长分布范围可以窄到2×10-9纳米,是氪灯 发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见,激光器 的单色性远远超过任何一种单色光源。

此外,激光还有其它特点:相干性好。激光的频率、振动方向、相位高度一致,使激光 光波在空间重叠时,重叠区 的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现 象叫做光的干涉,所以激光是相干光。而普通光源发出的光,其频率、振动方向、相位不一致,称为非相干光。

闪光时间可以极短。由于技术上的原因,普通光 源的闪光时间不可能很短,照相用的闪光灯,闪光时 间是千分之一秒左右。脉冲激 光的闪光时间很短,可达到6飞秒(1飞秒=10-15秒)。闪光时 间极短的光源在生产、科研和 军事方面都有重要的用途。

(四)能量密度极大
光子的能量是用E=hf来计算的,其中h为普朗克常量,f为频率。由此可知,频率越高,能量越高。激光频率范围3.846*10^(14)Hz到7.895*10^(14)Hz.电磁波谱可大致分为:(1)无线电波——波长从几千米到0.3米左右,一般的 电视和无线电广播的波段就是用这种波;(2)微波——波长从0.3米到10-3米,这些波 多用在雷达或其它通讯系统;(3)红外线——波长从10-3米到7.8×10-7米;(4)可见光——这是人 们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从780—380nm。光是原 子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它 是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分;(5)紫外线——波长从3 ×10-7米到6×10-10米。这些波 产生的原因和光波类似,常常在放电时发出。由于它 的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当,因此紫 外光的化学效应最强;(6)伦琴射线—— 这部分电磁波谱,波长从2×10-9米到6×10-12米。伦琴射线(X射线)是电原 子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的;(7)γ射线——是波长从10-10~10-14米的电磁波。这种不 可见的电磁波是从原子核内发出来的,放射性 物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强,对生物的破坏力很大。由此看来,激光能量并不算很大,但是它 的能量密度很大(因为它 的作用范围很小,一般只有一个点),短时间 里聚集起大量的能量,用做武 器也就可以理解了。
激光加 工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源,识别物 体等的一门技术,传统应 用最大的领域为激光加工技术。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 究范围一般可分为:

  1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。

  2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。

  激光焊接:汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继 电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器,CO2激光器 和半导体泵浦激光器。

  激光切割:汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金 属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的 电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工 业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。

  激光打标:在各种 材料和几乎所有行业均得到广泛应用,目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器 和半导体泵浦激光器。

  激光打孔:激光打 孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展,主要体现在打孔用YAG激光器 的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目 前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印 刷线路板等行业的生产中。目前使 用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主,也有一 些准分子激光器、同位素激光器 和半导体泵浦激光器。

  激光热处理:在汽车 工业中应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等 零部件的热处理,同时在航空航天、机床行 业和其它机械行业也应用广泛。我国的 激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使 用的激光器多以YAG激光器,CO2激光器为主。

  激光快速成型:将激光 加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于 模具和模型行业。目前使 用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。

  激光涂敷:在航空航天、模具及 机电行业应用广泛。目前使 用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。
应用于 牙科的激光系统
依据激 光在牙科应用的不同作用,分为几 种不同的激光系统。区别激 光的重要特征之一是:光的波长,不同波 长的激光对组织的作用不同,在可见 光及近红外光谱范围的光线,吸光性低,穿透性强,可以穿 透到牙体组织较深的部位,例如氩离子激光、二极管激光或Nd:YAG激光(如图1)。而Er:YAG激光和CO,激光的光线穿透性差,仅能穿透牙体组织约0.01毫米。区别激 光的重要特征之二是:激光的强度(即功率),如在诊 断学中应用的二极管激光,其强度 仅为几个毫瓦特,它有时 也可用在激光显示器上。
用于治疗的激光,通常是 几个瓦特中等强度的激光。激光对组织的作用,还取决 于激光脉冲的发射方式,以典型 的连续脉冲发射方式的激光有:氩离子激光、二极管激光、CO2,激光;以短脉 冲方式发射的激光有:Er:YAG激光或许多Nd:YAG激光,短脉冲 式的激光的强度(即功率)可以达到1,000瓦特或更高,这些强度高、吸光性也高的激光,只适用于清除硬组织。
激光在 龋齿的诊断方面的应用
1.脱矿、浅龋
2.隐匿龋
激光在 治疗方面的应用
1.切割
2.充填物的聚合,窝洞处理
(1)激光在 美容界的用途越来越广泛。激光是 通过产生高能量,聚焦精确,具有一 定穿透力的单色光,作用于 人体组织而在局部产生高热量从而达到去除或破坏目标组织的目的,各种不 同波长的脉冲激光可治疗各种血管性皮肤病及色素沉着,如太田痣、鲜红斑痣、雀斑、老年斑、毛细血管扩张等,以及去纹身、洗眼线、洗眉、治疗瘢痕等;而近年 来一些新型的激光仪,高能超脉冲CO2激光,铒激光进行除皱、磨皮换肤、治疗打鼾,美白牙齿等等,取得了良好的疗效,为激光 外科开辟越来越广阔的领域。

  (2)激光手 术有传统手术无法比拟的优越性。首先激 光手术不需要住院治疗,手术切口小,术中不出血,创伤轻,无瘢痕。例如:眼袋的 治疗传统手术法存在着由于剥离范围广、术中出血多,术后愈合慢,易形成瘢痕等缺点,而应用高能超脉冲CO2激光仪治疗眼袋,则以它术中不出血,不需缝合,不影响正常工作,手术部位水肿轻,恢复快,无瘢痕等优点,令传统手术无法比拟。而一些 由于出血多而无法进行的内窥镜手术,则可由 激光切割代替完成。(注:有一定的适应范围)

  (3)激光在 血管性皮肤病以及色素沉着的治疗中成效卓越。使用脉 冲染料激光治疗鲜红斑痣,疗效显著,对周围组织损伤小,几乎不落疤。它的出现,成为鲜 红斑痣治疗史上的一次革命,因为鲜 红斑痣治疗史上,放射、冷冻、电灼、手术等方法,其瘢痕发生率均高,并常出 现色素脱失或沉着。激光治 疗血管性皮肤病是利用含氧血红蛋白对一定波长的激光选择性的吸收,而导致 血管组织的高度破坏,其具有 高度精确性与安全性,不会影 响周围邻近组织。因此,激光治 疗毛细血管扩张也是疗效显著。

  此外,由于可 变脉冲激光等相继问世,使得不 满意纹身的去除,以及各 类色素性皮肤病如太田痣,老年斑 等的治疗得到了重大突破。这类激 光根据选择性光热效应理论,(即不同 波长的激光可选择性地作用于不同颜色的皮肤损害),利用其 强大的瞬间功率,高度集 中的辐射能量及色素选择性,极短的脉宽,使激光 能量集中作用于色素颗粒、将其直接汽化、击碎,通过淋 巴组织排出体外,而不影 响周围正常组织,并且以其疗效确切,安全可靠,无瘢痕,痛苦小而深入人心。

  (4)激光外 科开创了医学美容的新纪元。高能超脉冲CO2激光磨 皮换肤术开拓了美容外科的新技术。它利用高能量,极短脉冲的激光,使老化、损伤的 皮肤组织瞬间被汽化,不伤及周围组织,治疗过 程中几乎不出血,并可精 确的控制作用深度。其效果 得到国际医学整形美容界充分肯定,被誉为“开创了 医学美容新纪元”;此外,更有高能超脉冲CO2激光仪治疗眼袋、打鼾、甚至激光美白牙齿等,以其安全精确的疗效,简便快 捷的治疗在医学美容界创造了一个又一个奇迹。激光美 容使得医学美容向前迈进了一大步,并且赋 于医学美容更新的内涵。
激光雷达(laser radar)是指用 激光器作为辐射源的雷达。激光雷 达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架 及信息处理等部分组成。发射机 是各种形式的激光器,如二氧化碳激光器、掺钕钇 铝石榴石激光器、半导体 激光器及波长可调谐的固体激光器等;天线是光学望远镜;接收机 采用各种形式的光电探测器,如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和 可见光多元探测器件等。激光雷 达采用脉冲或连续波2种工作方式,探测方 法分直接探测与外差探测。

    激光雷达(laser radar)是指用 激光器作为辐射源的雷达。激光雷 达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架 及信息处理等部分组成。发射机 是各种形式的激光器,如二氧化碳激光器、掺钕钇 铝石榴石激光器、半导体 激光器及波长可调谐的固体激光器等;天线是光学望远镜;接收机 采用各种形式的光电探测器,如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和 可见光多元探测器件等。激光雷 达采用脉冲或连续波2种工作方式,探测方 法分直接探测与外差探测。

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