激光的工业应用

激光在工业上也得到了广泛的应用，常见的有以下几种。

●激光加工

机械加工包括打孔、切割、焊接、热处理等。机械加工是工业制造的基本工序。越是高精尖的设备对机械加工的精度要求也越高。在用传统的加工方法遇到困难时，可采用激光加工。激光加工是将激光束作为热源，使待加工材料受热产生化学上或结构上的变化。激光加工的本质于，待加工材料吸收激光束所产生的热量，所以激光加工的性能取决于待加工材料对激光束吸收。

1．激光焊接。激光焊接具有电焊、气焊所不具有的优点：a）由于激光的热通量高且激光光点很小，可以局部加热和迅速冷却。b）能够焊接许多不同的金属和不同的几何形状。c）能够对置于密封的透光材料中的工件进行焊接。

用激光焊接时，焊接的厚度和焊接的速度受激光器功率的限制，例如用一个250瓦的二氧化碳连续波激光器，在保护气体中能以75厘米/每分的速度将一个0.25毫米的软钢和0.75毫米的不锈钢焊在一起。又如，用红宝石激光器可以把封接在玻璃罩内的仅120微米厚的镍片焊接到500微米厚的镍合金柱上，受热面积小于50微米，焊接的时间仅3毫秒。这种精细焊接，传统的焊接方法是难以做到的。

2．激光打孔和切割。激光打孔和切割都是将激光束作用在工件上，激光热能将工件局部达到沸点而熔化。所以激光打孔和切割金属的深度由激光功率、脉冲宽度和加工材料的性质决定。

例如，可用激光器给宝石打孔。因为宝石是坚硬的，用传统的方法在宝石表面打孔是困难的，打一个孔大约用1分钟的时间。而用激光束在同样的宝石打同样的孔，一秒钟就能打10个。对一些易碎的材料，用传统工艺打孔是困难的，但是用激光来可以很快完成。激光束打孔的孔径远远小于传统工艺的所能达到的孔径。用激光束可在一个250微米厚的硅片上打一个直径25微米的细孔，在传统工艺加工中这似乎是不可想象的。

●激光测距

准确地测量距离不论在军事上还是民用都是需要的。短距离的测量可以用尺，长距离测量则是按运动学定律L＝Vt确定。只要知道速度V，测得时间t就可推算距离L。

我们都有这样的经验，春暖花开的季节出外郊游，要想估算二个山头之间的距离，最简便的办法是对着对面的山坡大声喊叫，记下时间t1，听到回声之后再记下时间t2，这二个山头之间的距离L=（1/2）V（t2—t1），V为声速。这是用声波测距的一个最简单的例子。按照这个原理，改用无线电波，这就是雷达测距的原理。激光问世后，由于激光束具有方向性好、亮度高及相干性强等特性，激光测距在测量精度方面要远远地优于声波和无线电波测距。

用激光束进行精确测量，有三种方法：干涉仪技术、调制光束的遥测技术和光雷达。这三种技术可测范围均不相同。干涉仪技术可测量50米以内的长度。调制光束的遥测技术可测100米到几十公里的范围。光雷达测量范围更远，可测10公里以上的距离。

干涉仪技术。测距所用的干涉仪是迈克尔孙干涉仪。迈克尔孙干涉仪是美国物理学家迈克尔孙1881年发明的。它可以利用光的干涉条纹精确测量长度和长度的变化。用肉眼观察干涉花纹或用照相机拍摄干涉花纹，并通过干涉花纹的数目判定长度。选用激光作为干涉仪的光源，用仪器记录干涉条纹数，迈克尔孙干涉仪就变成了激光干涉仪。激光测距仪有两条干涉两臂，设其长度分别是L1和L2，则干涉仪两臂的光路差为2（L2-L1）。通过观测屏幕上固定点的干涉条纹的数目就可以推算2（L2-L1），若L1为固定值，便可测出距离L2。若L2是可以移动的，则L2的移动距离（L2可以通过下述关系由干涉条纹变化的数目?n推算出来：

?n＝2?L2/?。

2．调制光束的遥测技术。调制光束的遥测技术是利用调制振幅的光束来测量距离。从光源s发出一束振幅调制光束，其强度为IT（t），射到反射镜R上，距离L就是被测距离。由R反射的光束被接收器接收，其强度为IR（t），若τ是光束通过光路的传播时间，一级近似下IR（t）＝（IR（t－τ），其中（是恒定的衰减系数。

若发射光束使用正弦调制，

IR（t）＝IO（1+msin?t），

则反射光束为

IR（t）=?IR〔1+msin?（t—τ）〕。

只要比较IT与IR的相位，就可测出（τ。根据调制周期T=2（/（，可导出τ。τ与L的关系为：

τ=（2Lng）/c，

其中c为光速，ng是激光沿光路的辟折射率的平均值。

实际制作的激光测距仪比原理复杂得多。AGA公司某型激光测距仪使用了一支5毫瓦连续波的氦一氖激光器，测量距离可达60公里，其绝对误差仅5毫米，而其均方根误差仅为1?10－6。

3．激光雷达测距。光雷达与电磁波雷达的原理相同，不同之点在于光雷达使用的是光脉冲。通过测量光脉冲从源出发到达目标再返回到接收机的传播时间，从而得出到被测目标的距离。在测量100—1000公里或是更大范围时，激光雷达有很大的用处。这个距离正好是绕地球飞行的人造卫星的典型数据。在人造卫星上安装一套反射器，就能准确地确定反射点的位置与被测目标的距离。如果有可能在月球上也安装一套角反射器，那么就能准确地测量地月距离，准确地画出月球运行的轨道。

●激光无破坏检验

一个工件的表面或者在工件表面的某个焊点上存在微小的缺陷，这对高精光产品来说都是一种潜在的危险。当缺陷小到放大镜都无法识别时，可以利用激光干涉仪进行检验，这是激光干涉仪的一个重要的应用方面，也可以说成是全息照相术的一种应用。当激光干涉仪的一束激光照射在工件上，在观察点可以看到或拍摄到干涉花纹。若花纹发生某种程度的变形，说明工件表面存在一定程度的缺陷。

用全息照相术拍摄动态照片还可用来检验和研究工件的动态性能。武尔克（Ralph Wuerker）和他的同事们利用二次曝光法最早拍摄了这样一张动态照片——一个子弹和它的一列冲击波在碰到另一冲击波的情景。这种技术可以用来解决高精度形变测量，或者研究某些部件在运动场合下的特性，例如如飞机、汽车、重型设备工业等，以及拍摄风洞中气体的流动图样，研究冲击波的形成、气体密度和速度分布等。

●激光同位素分离

激光同位素分离是激光技术的一个重要应用方面。同位素分离的常用方法是气体扩散法，但同激光同位素分离法性比则大为逊色。

同位素有广泛的应用，如原子能发电站、放射线探伤、放射线治疗癌症、同位素育种、同位素测量地质年代、同位素测定物质组分，但主要还是在原子能工业中，我们最熟知的就是原子弹和氢弹的制造。

所谓同位素，指具有相同质子数而中子数不同的元素。由于它们的质子数相同，所以在元素周期表中它们占据同一个位置，故名“同位素”。在天然元素中很多元素都有同位素。氢有三种同位素，只有一个中子的氢称氢记作H1，有两个中子的氢称为氘记作H2或D2，有三个中子的氢称为氚记作H3或T3。天然铀也有三种同位素，有234个中子的铀称为铀234，记作U234。有235个中子的称为铀235，记作U235，有238个中子的称为铀238，记作U238。铀235是制造原子弹、氢弹的重要原料。在天然元素中，各种同位素的含量是不相同的。在铀的同位素中铀234的含量仅有0.006%，铀235含量为0.714%，铀238含量达99.28%。因此，在制造原子弹时必须将铀235从天然铀中分离出来。

同位素分离是困难的，因为同位素的化学性质一样，物理性质相似，只在质量上有微小的差异。气体扩散法就是利用这微小的质量差实现同位素分离的。由两种不同质量的分子混合而成的气体，其气体分子作不规则的热运动，在热平衡状态下，气体分子的平均速度与它们的质量有关。质量小的分子平均速度大，质量大的分子平均速度小。气体扩散法就是利用这一原理，依速度差将不同质量的分子分开。

气体扩散法分离同位素的过程是，先将固体元素变成气体然后再进行分离。分离铀235，先将金属铀生成六氟化铀气体。在六氟化铀气体中有铀234、铀235和铀238。铀234的含量不足万分之一，实际上只是将铀235和铀238分开。给六氟化铀气体加一定压力，使气体穿过一个有许多直径不足0.01微米的小孔的隔板到达终端。铀235分子平均速度比铀238块，有较多的分子先到达终端。若在六氟化铀分子到达终端之前设置若干个隔板，在终端处六氟化铀235的浓度就会增加。只要隔板的数目足够多，在终端就可以得到所需的六氟化铀235的预期浓度。收集六氟化铀235，在从中还原出铀235。

用气体扩散法分离同位素需要很多的资金。建立一个分离铀235的工厂需占地几十亩、工厂要消耗2000兆瓦的电力，需要投资20—30亿美元。所以，获得1克同位素的价格非常昂贵，如1克溴79的价格近万美元。同激光分离同位素要快捷多，投资少效率高，而且在实验室里就能完成。

激光同位素分离法利用的是同位素的能量差。不同同位素的元素，不仅由于中子数目不同而在质量方面有微小的差异，而且在核的体积和形状上也有差别。这些差异使得原子能态发生微小的变化，反应在能级图上是能级有微小的移动，称为同位素位移。例如将铀235与铀238气化，蒸气原子处于2500K时，波长为4246.3埃的谱线位移为－0.05埃。锂6与锂7原子在温度为996K时，波长为3232.6埃的谱线的位移为0.036埃。

若用一频率为?1的激光束照射气化了的同位素，

v1=（B1-A）/h或v1=（B2-A）/h

使其中一种原子吸收光能后从基态A跃到激光态B1（或B2）。再用一频率为v2的激光束照射这些原子，使处于激发态的同位素原子电离成为离子，然后用电场将原子与离子分开，从而实现同位素分离。

●激光武器

由于激光器光束具有方向极好且亮度非常高的特点，使得激光器的光束能够非常精确地照射到目标（例如敌人飞机、敌人的重要军事设施）的关键部位上，通过光束的热效应，加热熔化或汽化目标上被瞄准的狭窄区域，使这些部件受到致命性的损伤或破坏。因此，在早在1970年代以前，军队系统就提出利用高能激光器制作定向武器的设想。

杀伤力是武器的重要指标。因此照射到目标上的能量密度是高能激光武器的关键。高能激光武器用于对付导弹和大多数地面或空中目标，它的能量范围是1千焦耳／每平方厘米到10千焦耳／每平方厘米；辐射度通常在100瓦／每平方厘米到10000瓦／每厘米；光斑的尺寸在1厘米到几十厘米之间。

激光武器不同于其他武器的优点在于，它最大的特点是交战速度快。光的传播速度是每秒30万公里，比其他任何一种炮弹的飞行速度都要快。这对于时间紧迫的作战来说，是赢得胜利的关键因素。例如使用机载激光器射击450公里处的目标，激光发射后1.5毫秒内射束便到达目标。机载激光武器可以从远距离上以光速摧毁处于助推段的敌区弹道导弹，以支持战区的导弹防御。机载激光武器系统也可以被用作执行大范围的防空任务——在敌人的导弹释放子弹之前对其实行拦截。在低空且视线范围无云的情况下，机载激光武器还能够维持一片中等规模的禁飞区。除此之外，激光束不受策略的限制，也不受牛顿定律和空气动力学的影响，因此激光武器的命中率很高。激光束能灵活地选择对方的损伤程度，只要调节激光器发射功率和辐射时间，就可以使目标造成从失去功能到彻底摧毁的不同程度的破坏。使用激光武器作战，可以不断地发射激光束，这就意味着激光武器的“弹药仓库”的容量很大。

最近美国人发明了一种手提式的激光枪。它在具备普通机枪功能的基础上，增加了发射激光的功能。手提激光枪每秒可以连射30发，其速度可以追赶高速行驶的火车，其威力足以摧毁电线杆或穿透一般的钢板和墙壁，射程2699米，配备夜视镜可以在夜间使用。这种手提激光枪的重量不超过5公斤，而且可以折叠成22厘米长度，放在公文包中。美国警察已经配备了它作为自卫武器。