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机器人时代 激光技术扮演什么角色

作者:中国机器人新闻中心  来源:科学网(北京)  发布时间:2015-8-19 11:28:18

中国机器人新闻网讯:激光的英文“Laser”在我国曾被翻译成“莱塞”“光激射器”“光受激辐射放大器”等。1964年10月,物理学家钱学森建议称之为“激光”,既反映了“受激辐射”的科学内涵,又表明它是一种很强烈的新光源,得到我国科学界的一致认同并沿用至今。

1960年,西奥多·梅曼在加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室设计和建造了一台小型的激光发生器。将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上,产生了第一条激光,从此开启了激光时代。

“超能”的激光

激光的诞生意味着光学科学的一场革命,激光在很大范围内改变了可用的物理量。“普通光源是光的自发辐射,在向四面八方辐射时,光线分散到4π球面度的立体角内。”中国科学院光电研究院副研究员王斌告诉《中国科学报》记者,其特点是多波长、任意方向和不相干。

而激光是光的受激辐射,其单色性、方向性和相干性都较普通光源好,亮度也高,基本沿某一条直线传播,通常发散角限制在10-6球面度量级的立体角内。

据王斌介绍,激光器发出的激光发射角很小,接近于一毫弧度,只有一般探照灯发射角的一百万分之一。即使将其发射到几千米以外,光束的直径也不过增加几厘米。因此输出的能量集中在很小的范围里。

除此之外,激光还具有很好的单色性,是普通光源完全达不到的。在激光出现之前,以同位素86Kr灯的单色性最好,谱线宽度为10~4nm的量级,而最普通的氦氖激光器所输出的红色激光(632.8nm)的谱线宽度达到10~8nm的数量级。现代技术的应用可以使谱线宽度缩到更小的范围。

能量密度方面,激光的亮度是普通光源的上百万倍。与太阳光比,一支功率仅为1毫瓦的氦氖激光器的亮度比太阳光强100倍;而一台巨型脉冲固体激光器的亮度可比太阳亮度高100亿倍。

激光应用技术

21世纪已进入光电子时代,激光的进一步广泛应用将极大改变人类的生产和生活。激光加工因实现了光、机、电技术的结合,作为一种先进的制造技术,目前正处于向传统制造技术工艺过程积极渗透的阶段。如今已广泛应用于信息技术、检测技术、材料加工、医学、军事、航空、科学研究等诸多方面。

激光武器。军事机构和小说家目睹了射线枪从漫画书里的虚构变为现实的过程,所以他们在激光刚刚被发明时,就看到了激光作为武器的潜力。“1964年,007电影《金手指》中大反派‘金手指’奥瑞克威胁邦德,要用激光将他锯成两半——这在当时,还是纯粹的幻想。”王斌表示。

不过现在,激光技术在军事中的应用,不仅可以提高现有常规武器的命中率,而且可为军队提供新型战术武器,从而大大增强军队在现代战争中的作战能力,其应用领域涉及制导、雷达、测距、通信、模拟、侦查、告警、对抗等方面,受到各大军事强国的重视,未来有望成为军事技术最活跃的一个领域。

三维激光。全息技术发明于1948年,以提高电子显微镜的分辨率,但埃米特·利斯和朱瑞思·乌帕特尼克斯在1964年使用激光对全息技术进行了彻底改造,发明了第一个不需特制眼镜就能看到的三维图像。

“他们用分裂的激光光束将全息图记录在感光片上,其中一束激光先被反射到被摄物体上,然后再与另一束会合,在感光片上成像。用一束与成像时相同方向的激光照射感光片,就会在观看者眼前产生一幅逼真的三维图像。”王斌讲述道。

梦幻激光。现在每逢重要庆典,激光秀都是烘托气氛的绝佳利器。不过刚开始时,激光的色彩是相当有限的:氦氖激光器和红宝石发出红光,其他激光器则产生不可见的红外光。

第一次实现七彩激光的是离子激光器,它通过在氩或氪中的高压放电产生激光。氩气产生蓝色和绿色的光,氪产生其他几种颜色,两种气体的混合可以产生整个可见光谱中的颜色。激光秀就此诞生。

无尽的刀片。“在工业上,激光被用来作为锯和钻头,而且它永远不会变钝。”王斌如此形象地比喻激光加工技术在工业上的应用。激光的空间控制性和时间控制性都很好,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。

激光第一次作此用途是加工硬度很高的材料,如钻石,或非常柔软的材料,例如婴儿奶瓶的奶嘴。低功率激光可以切割和焊接塑料;高功率激光可以切割和焊接金属。早期的工业激光器,必须非常庞大才能提供足够的能量,但新的固态激光器却令人吃惊的小巧:如今一段细光纤或几分之一毫米厚、扑克牌大小的盘片就能产生千瓦级的能量,足以切开几厘米厚的金属片。激光加工技术具有无接触、不需要工具和模具、清洁、高效、便于实行数控、可进行特殊加工等优点,随着该技术的不断进步与完善,人们将能对工艺的自动化和工作效率提出更高的要求。

激光外科手术。“激光在医学上的首次成功应用是进行眼内手术,但是不需要切开眼球。”王斌介绍道,早在1962年,一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接,使他恢复了视力。更大的成功在1968年,外科医生弗朗西斯·莱斯佩朗斯和贝尔实验室的工程师使用氩离子激光器破坏异常的血管,以避免这些血管在视网膜中扩散,致使糖尿病人失明。这种治疗方法已经挽救了数百万人的视力。如今,激光也被用来切割角膜,以矫正视力,或者使胎记和刺青褪色。

如今,激光治疗几乎遍及眼科、皮肤科、妇科、肛肠科及上消化道、泌尿科、心血管、骨科、牙科等专科。有的激光技术已经作为常规治疗手段。大多数激光治疗疗程短,患者无痛苦或痛苦少,操作方便,花费节省,受到广大患者和医生的欢迎。

未来激光技术:普及、提高、交叉

我国新型强激光研究的开创者之一、中国工程院院士杜祥琬曾在“激光诞生50周年纪念大会”上说,未来激光技术将围绕普及、提高、交叉加快发展。

杜祥琬在题为《激光五十年的几点启示》的发言中谈到,未来激光技术将围绕普及、提高、交叉三个方面加快发展。首先,在更多、更广的领域实现应用,从硬X射线到太赫兹的整个光波段,随着各种激光器及相关技术研发的成熟和商品化,激光在科学研究、人民生活、国民经济等方面都会有新的成就。其次,激光将跃上更新更高的台阶,在功率提升、波长延伸、能量与速递增长等方面创新研发水平。另外,激光技术将在物理、化学、材料、生物、医疗、农业、信息技术等领域得到广泛的交叉学科应用,成为科技前沿发展的“锐器”。

随着2014年工业4.0概念的提出,激光行业的自动化已成为大势所趋,机器代替人将成为激光企业下一个发力点。此外,光纤激光器以及激光结合光纤技术仍将成为激光行业的热点话题。

关键字:机器人 激光技术 应用

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