激光技術的應用研究進展

2013-01-26 15:05:58

裝備制造技術 2013年1期

（廣東海洋大學理學院，廣東湛江 5 24088）

激光于1960年面世，是一種因刺激產生輻射而強化的光。這種光能量很強，甚至可用作切割鋼板。激光技術就是各個領域應用激光而產生的一系列技術，激光技術是各個行業上的頂尖技術，各國對激光技術的研究都給予最重視、最嚴肅和嚴謹的態度[1]。本文對激光技術在軍事、工業、醫學、農業等領域的應用研究做簡要的介紹。

1 激光技術在軍事上的應用

激光技術在軍事上的應用主要是利用激光方向性強，單色性好，高亮度和高度的時空相干性特點實施常規打擊、偵察與反偵察、精確制導、保密通信、姿態定位分析以及航空航天中的點火推進控制燃燒等。在攻防方面，占主動權的進攻更具優勢，因此，激光在軍事上最吸引人的應用莫過于激光武器。

激光武器是指利用激光束直接摧毀目標或使之失效的定向武器，主要由激光器、精密瞄準跟蹤系統和光束控制與發射系統等部分組成。激光武器以其攻擊速度快，轉向靈活，可實現精確打擊，不受電磁干擾等優點倍受青睞。根據作戰用途的不同，可分為戰術激光武器和戰略激光武器。戰術激光武器是利用激光作為能量，能發出很強的激光束來打擊敵人。這種武器能夠象常規武器那樣直接殺傷敵方人員，使某些光電測量儀器的光敏元件損壞甚至失效，擊毀坦克、飛機等，其打擊距離可達20 km，主要代表有激光槍和激光炮。

戰略激光武器是指可攻擊數千公里之外的洲際導彈、太空中的偵察衛星和通信衛星等的高能激光武器，例如，在1975年11月，美國的兩顆監視導彈發射井的偵察衛星在飛抵西伯利亞上空時被前蘇聯的“反衛星”陸基激光武器擊中，并變成“瞎子”。在著名的英一阿馬島戰爭中，英國就曾經使用激光武器對付阿根廷飛機而機毀人亡。因此，高能激光武器有望成為未來高科技戰爭中奪取空間優勢的殺手锏武器[2]。但是目前高能激光武器技術尚未成熟，按照現有的水平，今后五到十年可望在地面和空中甚至太空平臺上部署，用于戰術防空、戰區反導和反衛星作戰等。目前，美、俄、英、以色列等國已研制出車載和機載激光武器。盡管激光武器有著許多優點，但也存在致命的弱點：易受天氣和環境影響[3]。

2 激光技術在工業上的應用

在工業上最廣為人知的就是激光加工技術，激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已成為企業實行適時生產的關鍵技術，為優質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。

熱加工和冷加工均可應用在金屬和非金屬材料上，進行切割，打孔，刻槽，標記等。熱加工金屬材料進行焊接，表面處理，生產合金，切割均極有利；冷加工則對光化學沉積，激光快速成形技術，激光刻蝕，摻染和氧化都很合適。激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。脈沖激光適用于金屬材料，連續激光適用于非金屬材料，后者是激光切割技術的重要應用領域。但激光在工業領域中的應用是有局限和缺點的，比如用激光來切割食物和膠合板就不成功，食物被切開的同時也被灼燒了，而切割膠合板在經濟上遠不合算[4]。

由于激光容易集中于一點和高能量，激光焊接、激光雕刻這兩門技術也有了質的飛躍，由以前的純人工操作到現在的高精準高效率技術，無論在質還是量的方面都是以前的幾倍增幅。激光可以做成非常精細的焊槍，做精密焊接工作;還有激光焊接與組件不會直接接觸，亦即是非接觸式的焊接，因而材料質地脆弱也不打緊，還可以對遠離我們身邊的組件作焊接，也可以把放置在真空室內的組件焊接起來。因為激光焊接有這些特點，所以它在微電子工業中尤其受歡迎。同時激光在打孔、刻蝕方面同樣有杰出的貢獻[5]。

3 激光技術在醫學方面的應用

醫學方面，激光同樣屬于高端技術。激光醫學在臨床上的應用主要分為三大部分，包括：

（1）激光在基礎醫學研究中的應用，主要是通過激光與人體器官組織、細胞和生物分子的相互作用來研究激光的生物效應。

（2）激光診斷，是以激光作為信息載體，利用激光單色性好的特點，對組織病理形態、病理情況下的功能及找出某些致病因素等方面進行光譜分析。

（3）激光治療，是以激光作為能量載體，利用激光對組織的生物學效應進行治療，多年來，激光技術已成為臨床治療的有效手段，也成為發展醫學診斷的關鍵技術[6]。激光技術在醫學領域最多人接觸過的就是激光手術，激光手術就是利用激光能產生高能量﹑聚焦精確的單色光，具有一定的穿透力，作用于人體組織時能在局部產生高熱量。激光手術就是利用激光的這一特點，去除或破壞目標組織，達到治療的目的，主要包括激光切割和激光換膚。這避免了以前人為出現的誤差或者誤操，因為激光可以直接連接計算機并在計算機全面顯示出當前狀況，最大限度減少了負面的影響。

激光熒光光譜診斷腫瘤的研究是人們非常感興趣的課題，光譜檢測法靈敏度很高，如果能找到腫瘤細胞的特征熒光峰確診早期癌細胞的存在，對腫瘤的早期診斷和治療將起巨大作用[7]。但至今，癌細胞的假陰性無法排除，而且比例還很高，在臨床上無法單獨作為癌細胞檢測的依據。關鍵的原因是未找到癌細胞真正的特征熒光蜂，一般現在人們所謂的特征熒光峰，只是卟啉分子的熒光峰，卟啉分子在腫瘤中多一些，相對熒光強度大一些，但在量上很難確定癌與非癌細胞的界限，這就是產生假陰性與假陽性的原因。因此，客觀科學地判斷激光熒光光譜對腫瘤的診斷標準，是十分必要的[8~9]。

4 激光技術在農業上的應用

中國是個農業大國，農業在中國起碼在當今時代的中國，還是大部分人的主要經濟來源，中國農業的發展能否取得更大的進展關乎著更多人的利益。激光技術在農業領域的應用現狀主要有：誘變育種、提高種子活力、激光平地整地、防治病害蟲。

激光處理種子誘變作用與一般射線（如X射線、γ射線、中子、紫外線等）類似，是通過染色體結構畸變和遺傳物質分子改變，最后導致其性狀和特性發生變異，再通過細胞分裂遺傳給后代，經過人為選擇和培育成為新品種。張顯志等利用He-Ne激光輻照花粉后進行屬間雜交，獲得新品種，提高雜種種子的出苗率和成活率，且在L1代植株中均獲得染色體自然加倍的雙二倍體，即小黑麥種子。現已獲得L1～L8代的小黑麥后代材料和穩定株系。激光誘變育種為小麥屬間雜交育種工作開辟了一條新的途徑[1]。潘天春等采用CO2和He-Ne兩種激光3種劑量，分別輻照兩個洋蔥品種的濕種子，采用生理生化方法，研究洋蔥L1各處理的生物學效應[10]。結果表明，He-Ne激光輻照洋蔥L1代的過氧化氫酶、葉綠素、總糖含量的變異大于CO2激光輻照結果。侯丙凱等利用激光微束穿刺法將蘇云金芽孢桿菌的毒蛋白基因導入了油菜，經聚合酶催化鏈式反應（PCR）和PCR Southern雜交證明，抗蟲基因已導入油菜基因組中并能在T1代得到遺傳。對轉基因植株進行抗蟲性測試，結果表明，某些植株具有較好的抗蟲性，且這種抗蟲性在T1代仍能保持[11~12]。

激光平地整地技術是利用激光獨有特性，將激光束作為控制手段，來控制液壓平地機具的升降高度。激光平地設備一般由激光發射器、接收器、控制器和平地機具組成。激光發射器發射一束極細且能旋轉360°的激光束，提供恒定平地基準。裝有接收器的裝置放在靠近平地機具測量標桿上，從激光束到平地刀口之間的固定距離即為標高測量基準，接收器檢測到激光信號后不間斷地給控制器發送坡度信號，從而實現機具控制[13~15]。