激光测距定位及加工技术

第二节　激光测距定位及加工技术

利用激光的高亮度和极好的方向性，科学家制成了激光测距仪、激光雷达和激光制导仪。利用激光的高能量进行材料加工也是激光应用的主要领域之一，包括对各种材料的切割、焊接、打孔、弯曲成形、表面处理等加工过程、激光微加工及激光快速成形等。

激光测距仪

1.激光测距原理

激光测距原理与声波测距原理相似，不同的是激光测距仪发出的信号是脉冲激光信号，激光信号对准目标发射出去后，将被目标反射。测出从开始发射到反射回来后所接收到的时间间隔t，就能得出待测距离S，即

S＝

式中，c为光速。因为式中的t的时间极短，精确测量t是准确测量距离的关键，所以激光测距仪中采用的是时标电脉冲振荡器的电子计时器，能精确记录光信号的往返时间。

2.激光测距的特点

激光测距比声波测距、无线电雷达测距都具有更多的优点。

①测量精度高、可测距离远。如测量月球与地球表面之间的距离38.4万公里，精度可达到±2cm。

②操作方便、速度快。一般几秒钟便可测得一个数据。

③仪器体积小、质量轻。最小的质量只有0.45kg，形如一架小型望远镜。

④抗电磁干扰能力强。

随着激光技术的发展，测距仪也经历了很多变化，测距仪的这些优点使之广泛应用于各个领域，在军事上测距仪已普遍装备于坦克、火炮、导弹、飞机、军舰、潜艇等。目前第三代小型人眼安全激光测距仪已在很多国家军事装备中使用。

激光雷达

激光雷达是激光测距技术向多功能发展的产物。激光测距仪测的是固定点的目标，而激光雷达可测量运动目标或相对运动的目标，既能探测位置又能探测速度，是现代化战争必不可少的工具。

1.激光雷达的工作原理

激光雷达的工作原理和微波雷达相似，一部激光雷达主要由发射、接收、测量控制和电源三部分组成。发射部分主要由激光器、调制器和发射望远镜组成。接收部分主要由接收望远镜、滤光片、光电探测器组成。测量控制部分包括距离、速度、分位的测量系统和自动伺服系统等。

激光雷达向目标发射的激光探测信号碰到目标后被反射回来成为回波，通过测量回波信号的时间、频率、方向变化就可以确定目标的距离、方位和速度等。

2.激光雷达的特点

激光雷达的波长比微波雷达短很多，它对目标的探测、跟踪和指导能提供更高的精度和分辨率。激光雷达识别能力强，可识别空中较小的物体。由于大气对激光有较高的光学吸收和散射效应，它更适合于执行探测低空飞行的任务。激光雷达的测量精度高，它可精确地探测1万公里以外两只交会的飞船间的距离。另外，激光雷达的抗干扰性能好，在探测地面或低空目标时，可以排除背景和地面回波的干扰，对超低空目标进行观测和跟踪。

随着科学技术的进步，又出现了各种激光雷达，如根据多普勒效应制成的激光多普勒雷达，可测量大气运动速度、高速公路上的汽车速度和各种飞行物体的速度；根据图像处理技术制成的图像激光雷达能够提供更丰富的信息。

激光制导

1.激光制导原理

激光制导就是利用激光来控制导弹的E行，以极高的精度将导弹、炸弹或炮弹引向目标。激光制导系统主要由激光目标指示器和目标寻码器两部分组成。前者是用来照明和捕捉目标的，它可以安装在飞机上或供前方工作人员携带并在地面上照射目标。后者是安装在导弹、炮弹或炸弹等武器上，它可以感知弹体的轴线与目标指示器反射回来的激光光束的方向是否一致，如果偏离了，则会产生一个信号来控制弹体上的方向舵，使之回到激光光束的方向，只要两个方向一致，最后弹体就会命中目标上的激光光斑。

目前研制较成功的一种激光制导方式是把目标指示器和弹体分开的制导方式，叫半主动式激光制导。

2.激光制导特点

由于激光单色性好、方向性好、能量集中，使得激光制导武器有高命中率，抗干扰能力强、机构简单、成本低的特点。20世纪90年代初爆发的海湾战争和21世纪初的阿富汗战争和伊拉克战争，是近年来发生的规模最大，影响最广的高科技战争。多种先进的武器竞相登场，而激光制导武器更是出尽风头。

除上述激光制导外，精确制导方法还有红外制导、微波雷达制导、毫米波制导、电视制导等。

激光加工技术

1.激光精打微细孔

由于激光束可以聚焦到比头发丝还细的程度，所以可以在材料上打极微细的孔，这是其他方法所望尘莫及的。

据最近有关文献报道，日本公司开发了一台高效率准分子激光装置，1min在尺寸100mm²，厚25μm的电路基板上打出几万个微孔，最小孔径10μm。日本的松下研究所与光纤制造商合作开发的激光打孔装置，其一个光脉冲可打孔径为0.5μm的孔。这些技术成果一旦走向实用化，将推动多片组件更加经济和普及。

2.奇妙的激光切割

激光可用于切割各种各样的材料，既可切割金属、非金属、玻璃、陶瓷等既硬又脆的材料，也可以切割木材，代替剪子切割皮革、布料、纸张等，还能切割无法进行机械接触的工件，几乎无坚不摧。

激光切割精度高、切口光滑、生产效率高、成本低、便于计算机控制。目前广泛应用于电器制造、航空航天、精密仪表、汽车、家具制造和服装加工领域。

激光技术的迅速发展，已经给我们的生活带来了巨大的变化。如果使用激光技术，则能在同一时间裁剪500件相同尺寸的衣服，大大提高制衣效率。美国贝克尔家具公司用激光切割技术制造了许多精美高档家具，成为美国高档艺术家具的主要供应商。

3.激光焊接

激光输出功率的提高，推动了激光焊接技术的发展。因为高功率激光可以很容易提供非常高的功率密度，可以瞬时把材料加热到上千甚至上万摄氏度以上的温度。选择适当激光功率参数，可以进行不同材料之间的焊接，比传统的乙炔焰、氩弧焊等焊接方法有更多优点，即可焊接难烧材料，适合微小区域焊接，并对环境和材料要求低，不能接触时，也照焊不误。

激光焊接技术的应用解决了生产中的许多问题。如高性能特种防水服的开胶漏水问题，许多年严重困扰着技术人员，而神奇的激光能奇迹般将焊缝牢牢地粘合起来。据文献报道，用激光“粘合”的接缝在2754Pa的压力下滴水不漏。

4.激光打标及光刻技术

激光标刻就是利用激光在产品的表面或外包装上刻出标志性文字、图案等，并可以在微小物件上精细刻画，还可以“深入腹地”进行内部雕刻，如在稍厚的玻璃砖里面雕刻工艺模型，而在玻璃砖周围全然看不出有“刻刀”进出的痕迹。

光刻技术是制作前所未有的精细线条和图案的技术。光刻技术最广泛的应用是光盘系统，20世纪80年代初从CD（compact disk）开始，迅速出现了CD－A、CD－ROM、VCD等，目前开发的新的刻录技术和红光半导体激光器，能缩小记录点及其间距，可把现有光盘的记录密度提高5～10倍，开发出目前所称的DVD（digital versatile disk）光盘系列。

激光唱片的制作，是通过将人的说话和乐器发出的声波，引起传声器金属膜片的相应振动，把这些振动进行放大之后调制成激光束，被声波调制了的激光在镀有铝膜的盘上进行刻划而成。