激光连载1

2017-09-23

光的概念和激光的特点。在后期的连载中将为大家一一呈现:用于不同材料加工的光源及各种激光的加工技术,如切割、焊接、微加工、增材制造、表面处理和打标等等,并且向您展示如何通过使用激光来创造更加美好的未来。

 

 光,普照大地。它伴有辐射,同时也点亮我们的世界。光充满能量、传播信息,还可以用作工具。它夜以继日地伴随着我们从黎明的第一缕光到在午夜时点燃的灯。而从技术的角度来看,有一束光出类拔萃:激光。

 

 

 不难发现,只要环顾下周围就能看到各种不同的光源。自然的光源有太阳光,有闪电,有火焰。生物光源中,有夏夜里的萤火虫,有深海中发光的水母等等。当然其他的一些物质,当被白光或自然光所激发的时候,也会发射出彩色的光,比如磷光晶体等等。

 

 然而大自然中的光源无法被长期保存,于是人类开始创造光。从最早的钻木取火,到后期的火药烟火,再到煤气灯和电灯泡,随后再发展成现在的发光二极管。人造光源在不停的进步和创新,同时也在改变着我们的生活和工业的发展。

 

 光,是什么?

 

 光是由电磁波组成的。每个波在特定的频率振动(每秒振动的次数)并且拥有特定的波长(距离)。光的速度在频率和波长之间提供了联系。空气中光速是一个常数。因此,光波每秒中振动得越多,它的频率越高,它的波长就越短。对于人眼来说,这个效应是非常值得高兴的,因为可以通过变化的频率分辨出不同的颜色。

 

 彩虹显示了可见光的全部光谱。可见光波长范围是380(紫)到780(红)nm。然而,这仅仅是电磁波全部光谱的一小部分,其余还包括伽马射线、X射线、微波和射频波。

 

  

 电磁波频率: 人眼所感知的频谱只有一小条可以作为可见光

 

 而光是如何产生的,大体来说,分子或原子能级跃迁引起能量以光子形式释放,就辐射出了光。

 

  

 当原子中的电子吸收能量,先跳跃至一个更高的能量级,然后再回到基态,这样就产生了光线,能量差越大,频率越高

   

 激光,征服世界

 

 在众多的光源之中,有一种光尤为突出:激光光束。激光是“受激辐射的光放大”的缩写。因此,严格来讲,激光这个单词描述的是一个物理过程。光不再是激发态原子或者分子自发随机的辐射,而是,原子或者分子受到激发,或者泵浦之后,产生了辐射。接下来,我们将会描述原子中的激光产生过程。类似的过程也发生在分子之中。

 

 当一个光子打到一个激发态的原子时,它会激发一个电子下降到一个低能级,因此辐射出另一个光子。要是这种情况发生,入射光子必须有着确切的正好的能量。这个能量必须和原子的受激能级和较低能级的能量差一致。因此,受激辐射是一个共振过程。受激辐射以后,两个光子一起向前传播。新的光子和第一个光子有着相同的频率、相位并且和它运动方向一致。

 

  

 在辐射过程前后,观察者会注意到光束变得稠密了。辐射前,仅有一个光子;现在有了一起传输的同样类型的两个光子。当这些光子打到其他激发态的原子,他们会激发其他光子的释放,光束进一步放大。基于光放大的方式,激光也被认为是光学放大器。当一个光子打到一个激发态的原子时,它会激发一个电子下降到一个低能级,因此辐射出另一个光子。要是这种情况发生,入射光子必须有着确切的正好的能量。这个能量必须和原子的受激能级和较低能级的能量差一致。因此,受激辐射是一个共振过程。受激辐射以后,两个光子一起向前传播。新的光子和第一个光子有着相同的频率、相位并且和它运动方向一致。

 

  

 受激发射将导致级联效应,放大激光束

 

 在辐射过程前后,观察者会注意到光束变得稠密了。辐射前,仅有一个光子;现在有了一起传输的同样类型的两个光子。当这些光子打到其他激发态的原子,他们会激发其他光子的释放,光束进一步放大。基于光放大的方式,激光也被认为是光学放大器。

 

  

 手电筒光和激光的不同特性

 

 激光的特殊性质使得它如此的成功。这些性质和传统的光源有很大的区别。激光是单色的、相干的、单方向的。这些性质决定了激光可以有些极其广泛的应用。

 

 单色性

 激光束中所有的光子有着相同的波长。波长由物质辐射激光过程中能量的转移决定。单色光主要用于和干涉相关的应用。激光的特殊性质使得它如此的成功。这些性质和传统的光源有很大的区别。激光是单色的、相干的、单方向的。这些性质决定了激光可以有些极其广泛的应用。

 

 相干性

 所有光子都是同相的,或者相互步调一致。所有有着相位一致关系的波列,构成了相干的激光。当干涉效应用于技术应用时相干性扮演着重要的角色。

 

 单一方向

 光子有着相同的方向并且相互平行移动。结果,激光形成了紧密的光束而且发散很小。这使得控制激光束并让全部能量聚焦到极小的点上尤为容易。这在材料加工上特别重要。

 

 激光的世界发展史

 美国人查尔斯·哈德·汤斯(Charles Hard Townes)从受激辐射的原理到一个可见的激光设备迈出了第一步。1953年,他发明了第一个微波放大器。微波是波长比可见光大得多的电磁波。它们的波长以厘米计量。微波放大器用在电波望远镜中,它们把望远镜从外太空接到的弱信号进行放大,从而使得人类可以瞭望银河系的中心。第一个运转的微波放大器使得激光的出现变得容易。1958年,同亚瑟•莱昂纳德•肖洛(Arthur Leonard Schawlow)一起,汤斯描述了激光可能工作和在实际应用的方式。1960年5月,第一台激光器在加利福尼亚的实验室问世。西奥多·梅曼(Theodore H. Maiman)和他的团队成功研制了世界上第一台激光器:红宝石激光器。这个激光器包含了一个人造红宝石晶体棒,它放置在一个螺旋闪光灯的里面。棒子的两端是镜片,其中一个镜片是部分透射镜片。闪光灯给棒子能量,红宝石的铬原子开始发出一束深红的光。最初辐射的光子激发了更多光子的辐射。通过一个级联效应,激光束形成了——比太阳表面还要明亮的光束。

 

 激光在中国的发展

 “激光”一词是“Laser”的意译。 Laser原是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation取名字组合而成的专门名词,在中国曾被译为“镭射”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。1964年,钱学森院士提议取名为“激光”,既反应了“受激辐射”的科学内涵,又表明它是一种很强烈的新光源,传神而简洁,从那时“激光”这个词被认同且沿用至今。

 

 1957年,王大珩等在长春建立了中国第一所光学专业研究所——中国科学院(长春)光学精密仪器机械与物理研究所(简称“光机所”)。1961年夏,中国第一台红宝石激光器研制成功。此后短短几年内,各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。

 

 尽管早在60年代已在加工、医疗器械和测距等方面出现了激光产业的雏形,然而当时只是零星的、分散的小量研制性生产,未能形成气候。在1978年改革开放以后,激光产业在中国真正得到重视并实质性起步。如今在武汉、上海、深圳等地激光技术的研发及应用已和国际领先水平接轨。而这几年在温州、鞍山等地也陆续建成了激光产业集群。1988年武汉成立了东湖新技术开发区,又称中国光谷。光谷的光电子信息产业已成为代表中国在这一领域参与全球竞争的知名品牌。在上海,很多前沿产业应用大展拳脚,如汽车行业的激光热成型切割就是非常典型的案例。广东,作为全球最大的电子生产基地,在那里激光的微加工技术、打标技术等在3C行业也得到了广泛应用。

 

 激光领路

 工业革命时期,水和蒸汽动力是当时的关键技术。20世纪,电子学是技术发展背后的驱动力。21世纪初期,工程师将光和激光作为执行不同任务的重要介质。并且专家已经称其为世纪之光。你所到的每一个地方,都会无意间发现使用激光的过程。仅在一辆汽车中,你就能找到大量用激光加工而成的部件:从激光焊接的车身到按钮和仪器上的打标文字和图形等等。通信技术中,激光器可以产生传播信息的光信号,没有激光器,世界各地的流动的大量的数据流几乎不可能。测量技术中,激光束为长距离和细微结构提供精确地数据。医学中,激光束实现以前不可想象的功能——例如,眼矫正手术和视网膜脱离修复。全息投影中,通过激光照射物体实现三维成像。在过去,这个看似奇异的发明,却已变成了用于各种各样应用的多功能工具。并且现在,激光产品全球市场份额价值已达到数十亿欧元。

 

 激光工具

 激光器最重要的应用领域之一是材料加工。切割、钻孔、烧蚀、结构化、沉积、连接和打标——激光器的发展可谓是大步流星,日趋成熟。在接下来的章节中,我们将为你一一揭晓,如何让不可能成为可能。


 


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