激光技术的应用研究进展

2013-01-26

装备制造技术 2013年1期

（广东海洋大学理学院，广东湛江 5 24088）

激光于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光。这种光能量很强，甚至可用作切割钢板。激光技术就是各个领域应用激光而产生的一系列技术，激光技术是各个行业上的顶尖技术，各国对激光技术的研究都给予最重视、最严肃和严谨的态度[1]。本文对激光技术在军事、工业、医学、农业等领域的应用研究做简要的介绍。

1 激光技术在军事上的应用

激光技术在军事上的应用主要是利用激光方向性强，单色性好，高亮度和高度的时空相干性特点实施常规打击、侦察与反侦察、精确制导、保密通信、姿态定位分析以及航空航天中的点火推进控制燃烧等。在攻防方面，占主动权的进攻更具优势，因此，激光在军事上最吸引人的应用莫过于激光武器。

激光武器是指利用激光束直接摧毁目标或使之失效的定向武器，主要由激光器、精密瞄准跟踪系统和光束控制与发射系统等部分组成。激光武器以其攻击速度快，转向灵活，可实现精确打击，不受电磁干扰等优点倍受青睐。根据作战用途的不同，可分为战术激光武器和战略激光武器。战术激光武器是利用激光作为能量，能发出很强的激光束来打击敌人。这种武器能够象常规武器那样直接杀伤敌方人员，使某些光电测量仪器的光敏元件损坏甚至失效，击毁坦克、飞机等，其打击距离可达20 km，主要代表有激光枪和激光炮。

战略激光武器是指可攻击数千公里之外的洲际导弹、太空中的侦察卫星和通信卫星等的高能激光武器，例如，在1975年11月，美国的两颗监视导弹发射井的侦察卫星在飞抵西伯利亚上空时被前苏联的“反卫星”陆基激光武器击中，并变成“瞎子”。在著名的英一阿马岛战争中，英国就曾经使用激光武器对付阿根廷飞机而机毁人亡。因此，高能激光武器有望成为未来高科技战争中夺取空间优势的杀手锏武器[2]。但是目前高能激光武器技术尚未成熟，按照现有的水平，今后五到十年可望在地面和空中甚至太空平台上部署，用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。目前，美、俄、英、以色列等国已研制出车载和机载激光武器。尽管激光武器有着许多优点，但也存在致命的弱点：易受天气和环境影响[3]。

2 激光技术在工业上的应用

在工业上最广为人知的就是激光加工技术，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，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

热加工和冷加工均可应用在金属和非金属材料上，进行切割，打孔，刻槽，标记等。热加工金属材料进行焊接，表面处理，生产合金，切割均极有利；冷加工则对光化学沉积，激光快速成形技术，激光刻蚀，掺染和氧化都很合适。激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。但激光在工业领域中的应用是有局限和缺点的，比如用激光来切割食物和胶合板就不成功，食物被切开的同时也被灼烧了，而切割胶合板在经济上远不合算[4]。

由于激光容易集中于一点和高能量，激光焊接、激光雕刻这两门技术也有了质的飞跃，由以前的纯人工操作到现在的高精准高效率技术，无论在质还是量的方面都是以前的几倍增幅。激光可以做成非常精细的焊枪，做精密焊接工作;还有激光焊接与组件不会直接接触，亦即是非接触式的焊接，因而材料质地脆弱也不打紧，还可以对远离我们身边的组件作焊接，也可以把放置在真空室内的组件焊接起来。因为激光焊接有这些特点，所以它在微电子工业中尤其受欢迎。同时激光在打孔、刻蚀方面同样有杰出的贡献[5]。

3 激光技术在医学方面的应用

医学方面，激光同样属于高端技术。激光医学在临床上的应用主要分为三大部分，包括：

（1）激光在基础医学研究中的应用，主要是通过激光与人体器官组织、细胞和生物分子的相互作用来研究激光的生物效应。

（2）激光诊断，是以激光作为信息载体，利用激光单色性好的特点，对组织病理形态、病理情况下的功能及找出某些致病因素等方面进行光谱分析。

（3）激光治疗，是以激光作为能量载体，利用激光对组织的生物学效应进行治疗，多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术[6]。激光技术在医学领域最多人接触过的就是激光手术，激光手术就是利用激光能产生高能量﹑聚焦精确的单色光，具有一定的穿透力，作用于人体组织时能在局部产生高热量。激光手术就是利用激光的这一特点，去除或破坏目标组织，达到治疗的目的，主要包括激光切割和激光换肤。这避免了以前人为出现的误差或者误操，因为激光可以直接连接计算机并在计算机全面显示出当前状况，最大限度减少了负面的影响。

激光荧光光谱诊断肿瘤的研究是人们非常感兴趣的课题，光谱检测法灵敏度很高，如果能找到肿瘤细胞的特征荧光峰确诊早期癌细胞的存在，对肿瘤的早期诊断和治疗将起巨大作用[7]。但至今，癌细胞的假阴性无法排除，而且比例还很高，在临床上无法单独作为癌细胞检测的依据。关键的原因是未找到癌细胞真正的特征荧光蜂，一般现在人们所谓的特征荧光峰，只是卟啉分子的荧光峰，卟啉分子在肿瘤中多一些，相对荧光强度大一些，但在量上很难确定癌与非癌细胞的界限，这就是产生假阴性与假阳性的原因。因此，客观科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准，是十分必要的[8~9]。

4 激光技术在农业上的应用

中国是个农业大国，农业在中国起码在当今时代的中国，还是大部分人的主要经济来源，中国农业的发展能否取得更大的进展关乎着更多人的利益。激光技术在农业领域的应用现状主要有：诱变育种、提高种子活力、激光平地整地、防治病害虫。

激光处理种子诱变作用与一般射线（如X射线、γ射线、中子、紫外线等）类似，是通过染色体结构畸变和遗传物质分子改变，最后导致其性状和特性发生变异，再通过细胞分裂遗传给后代，经过人为选择和培育成为新品种。张显志等利用He-Ne激光辐照花粉后进行属间杂交，获得新品种，提高杂种种子的出苗率和成活率，且在L1代植株中均获得染色体自然加倍的双二倍体，即小黑麦种子。现已获得L1～L8代的小黑麦后代材料和稳定株系。激光诱变育种为小麦属间杂交育种工作开辟了一条新的途径[1]。潘天春等采用CO2和He-Ne两种激光3种剂量，分别辐照两个洋葱品种的湿种子，采用生理生化方法，研究洋葱L1各处理的生物学效应[10]。结果表明，He-Ne激光辐照洋葱L1代的过氧化氢酶、叶绿素、总糖含量的变异大于CO2激光辐照结果。侯丙凯等利用激光微束穿刺法将苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因导入了油菜，经聚合酶催化链式反应（PCR）和PCR Southern杂交证明，抗虫基因已导入油菜基因组中并能在T1代得到遗传。对转基因植株进行抗虫性测试，结果表明，某些植株具有较好的抗虫性，且这种抗虫性在T1代仍能保持[11~12]。

激光平地整地技术是利用激光独有特性，将激光束作为控制手段，来控制液压平地机具的升降高度。激光平地设备一般由激光发射器、接收器、控制器和平地机具组成。激光发射器发射一束极细且能旋转360°的激光束，提供恒定平地基准。装有接收器的装置放在靠近平地机具测量标杆上，从激光束到平地刀口之间的固定距离即为标高测量基准，接收器检测到激光信号后不间断地给控制器发送坡度信号，从而实现机具控制[13~15]。