书城教材教辅中学理科课程资源-解密物理光学
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第22章 激光的产生及其应用(3)

激光打标(或标刻)是工业生产中广泛应用的一项加工技术。标刻就是在产品的表面或外包装上刻出各种标识性文字、图案及数字等,如生产厂名、厂徽及生产日期、产品序号等。激光打标由于具有标记永久清晰、无腐蚀、无机械压力等优点,故不引起工件形变而倍受欢迎。据工业界人士介绍,像钳子、剪刀之类的小工具,上面有无用激光刻画的标记,在国际市场上的价格能差好几倍!这就是说,在某些情况下,标记比产品本身更加值钱!

激光可以在各种质地、各种形状的产品上进行标刻,而最具特色的依然是在微小物件上精细刻画。美国集成电路片制造商伯克莱公司在其商品上均标有公司商标及有关数据,小尺寸集成电路片的标记区只有6毫米×12毫米,以往用油墨打标系统,存在标志质量不好或不能永久保持等问题,而且标记一片需几秒钟时间,影响了生产效率。据报导,该公司不久前改用激光打标系统,由计算机控制,在0.25秒的时间内便可高质量地完成一片标记。

雕刻也是一门古老的艺术,一般雕刻工艺都是从外刻起,由整块材料雕出所希望的形状。而激光却可以像孙悟空一样“深入腹地”去施展手脚。

1996年8月在美国丹佛举行的国际工程光学学会年会展览会上,俄罗斯圣彼得堡光学精密机械学院的展台前围着很多人,参观者被一件高科技工艺品所吸引。它是一块比普通砖头稍厚的玻璃砖,里面雕刻着几座克里姆林宫内教堂式建筑的模型。仔细察看,玻璃砖周围全然没有供“刻刀”进出的开口,就这一点而言,它比孙悟空还要高明,老孙往人家肚子里钻也要通过嘴才行。

这种看起来有点神秘的玻璃内雕,其实原理也很简单。激光要能雕刻玻璃,它的能量密度必须达到使玻璃破坏的某一临界值,或称阈值,而激光在某处的能量密度与它在该点光斑的大小有关,同一束激光,光斑越小的地方产生的能量密度越大。这样,通过适当聚焦,可以使激光的能量密度在进入玻璃及到达加工区之前低于玻璃的破坏阈值,而在希望加工的区域则超过这一临界值,从而在玻璃内部雕出希望的形状,而其余部分则保持完好无损。

十、材料表面改性

激光在材料加工中另一种奇妙的应用是它可以使材料表面的物理化学性质按照人们所希望的方式发生变化,通常有热处理和冲击处理两种方式。

在工业加工中获得广泛应用的激光热处理技术,包括激光使材料表面硬化和表面合金化等。与传统的表面硬化技术比较,激光硬化具有更好的效果。据国外刊物最近报导,美国印第安纳一家汽车变速器厂生产的联动轴套,过去采用感应硬化,结果,处理后的部件经超声波探伤检验有15%立即报废;8%有严重隐患,在运转中很容易出现问题;另有少量样品处理时被扭曲,因此也不能用。在别无它法的情况下,他们求助于印第安纳光束技术公司,改用激光硬化技术,100个样品处理后无一报废或扭曲,由于激光处理形成较细的微结构,耐磨性有明显改善。

有些工件局部要求良好的抗热、耐磨和防腐蚀性能,如特殊用途的锯齿、刀刃等,因此,希望使用优质合金。而绝大部分则可以用一般材料,全部采用优质材料则会造成浪费和使成本提高,这就是平常所说的“好钢用在刀刃上”。

激光表面合金化便可使这问题得到圆满解决。它将表面材料与性质不同的内部材料熔合在一起,形成一层合金。该过程与在一种金属表面镀另一种金属有着本质的区别。特别是,在有些应用中,表面需要采用稀有或贵重金属,表面合金化可节省宝贵资源,并改善生产的费效比。

激光冲击处理是用高能脉冲激光照射被处理零件表面,以产生很强的应力冲击波,从而使表面发生形变的一种技术。由此可以看出,冲击处理依据的不是热效应,它具有与热处理完全不同的机制。

表面形变的效应首先是使表面硬化,同时,冲击波向材料内部传播,并在表面以下1毫米左右的深度产生剩余应力,从而增加了材料的抗疲劳和抗磨损能力。因此,激光冲击处理称得上是一种可使材料益寿延年的高级“营养保健品”,但不是“纯天然”的,因为激光器是人类智慧的结晶。

激光冲击处理在工业加工中有十分广泛的应用前景,但在早期,因属于“高级保健品”,只有那些具有高附加值的产品,如飞机发动机部件,发电机和其他汽轮机构件,自动化和医疗修复术等才能“承受得了”。随着激光器和加工工艺的发展,冲击处理的成本不断下降,从而为“大众化”零部件的应用扫除了障碍。为此,1995年在美国俄亥俄州专门成立了一家激光冲击处理技术公司,据说这是全世界唯一一家持有由激光冲击处理发明者所颁发的特许证的公司,该公司正在与众多厂商进行广泛接触,以期使这一高新技术走进“千家万户”。

十一、激光制取纳米材料

大约10年以前,材料科学领域一匹“黑马”异军突起,这就是如今已为科学界瞩目的纳米材料。

顾名思义,纳米材料的微粒尺寸为纳米量级,它只有普通元素原子直径的几倍至十几倍,我们日常生活中接触到的最细的粉末,与纳米材料相比,亦宛如大象见了老鼠,西瓜之于芝麻。

由于纳米材料结构尺寸奇小,表现出一些物理、化学性质也极为奇特。例如,作为微电子学支柱材料的硅,具有非常好的半导体特性,通常却没有发光的本领。然而,当硅的尺寸达到纳米量级(6纳米)时,在可见光谱区附近可观察到相当强的光致发光现象。又如,根据传统理论,铁的性情十分“孤僻”,与铝、银、铜等常见金属都很难“合作”,而在纳米态下它就变得相当“随和”,铁铝合金、银铁合金和铜铁合金均已在实验室制成。

将纳米材料作为添加剂掺入其他材料,可使这些材料的性质发生重要变化。例如,把金属纳米材料放进常规陶瓷,可大大改善后者的力学性质,使其再也不那么“碰不得”,远途运输时,包装箱上“易碎物品,小心轻放”的字样就可以省略。三氧化二铝(Al2O3)的纳米微粒添加在橡胶中,可使橡胶的电绝缘性和耐磨性明显提高;而添加进透明玻璃中,既不影响透明度,又可提高冲击韧性。

我们知道,大多数药品或多或少都有一定的副作用。主要原因之一是药品在到达病变部位之前首先要经过一系列健康组织,沿途向这些并不需要药物的组织释放,从而起到不好的作用。美国麻省理工学院的研究人员别出心裁,将药物“捆绑”在纳米微粒上,借助磁场“导航”,把它运载到病变部位释放。就像导弹把弹头送到目标处才爆炸一样。因此,人们形象地把这种纳米载体称为“生物导弹”。

纳米材料有如此奇妙的特性和用途,早在1991年我国著名科学家钱学森教授就曾预言:“纳米和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命,从而将是21世纪又一次产业革命。”

过去常说,切勿“抓住芝麻丢掉西瓜”,现在看来应该补充一句,也不可只抓“西瓜”而丢掉“芝麻”。的确,很多发达国家均已竞相投入巨额资金开展纳米材料研究。

但是,这样细的粉末,任何磨都不可能磨出。那么,怎么来制取呢?还是让神奇的激光来制造这种神奇的粉末吧。

早在1981年,美国麻省理工学院的研究人员就提出过用激光感生制备纳米材料的建议。但由于工艺上的原因,直到不久前才由意大利结构工程学会发展了一种能以较低的成本批量生产纳米粉末的激光热解方法。该方法以2.5千瓦连续运转二氧化碳激光热解适当的反应剂为基础,气态或蒸气形式的有机或无机反应剂吸收10.6微米波长的激光辐射,感生反应过程,并生成纳米微粒。反应区则由与反应剂气流垂直交叉的激光束准确限定。

原则上讲,上述方法可用于合成一系列氧化物和非氧化物纳米粉末,微粒尺寸一般在5至20纳米之间,为一些大小均匀的球体。采用廉价反应剂可使激光热解工艺的成本降到与大多数普通气相技术相当的水平,而所生产粉末的质量则明显优于其他工艺的产品,因而是一种很有前途的方法。

最近,德国激光技术实验室将激光与近场技术相结合在制备金属纳米结构中获得成功,微粒尺寸10纳米。据报导,这类材料在超高密度数字信号存储、半导体掩膜修复和光谱学领域有极为诱人的应用前景,能使当前光盘的存储密度提高一万倍!并可望用于衍射光学元件的制造。此外,在生物技术中,用这种神奇的“纳米刀”可以对有机大分子进行切削,以获得所需要的分子结构。

十二、农副业及医学中的激光

人人离不开穿衣吃饭,个个都希望健康长寿。因此,一项新技术出现,人们自然希望将其应用于作为人类生存与发展之基础的农、林、牧、副、渔业及治病救人的医疗事业。所以,激光器发明后不久,激光技术在这些领域的应用便得到迅速发展。特别是医疗领域,激光的应用非常广泛,从诊断到治疗,从内科到外科,从美容到消炎止痛,直至征服人类健康之顽敌——癌症,激光都大有用武之地。

激光在医疗领域应用的发展可以说方兴未艾,这种发展主要体现在两个方面:第一,可以用激光治疗的疾病的种类越来越多,从普通外科、眼科到皮肤科;从“不算病”的牙疼到人类“名列前茅的杀手”——心血管疾病,均已有用激光治疗的报导。第二,可用于治疗疾病的激光器的种类越来越多,从紫外准分子激光到近红外YAG系列激光及远红外二氧化碳激光,都在医疗领域施展各自的才华。特别是,随着近年来二极管激光器和光导纤维的发展及其在医疗领域的应用,更加显示出激光医疗的优越性。

目前,从大型综合性医院到小小的诊所,几乎都配备一定档次的激光医疗仪器。“财大气粗”的现代化医院不惜花数万乃至十几万美元巨资从国外进口高级激光设备;“小本经营”的诊疗所也会花上几百元钱买台氦-氖激光器。其原因大概也来自两方面:一方面在公众心目中为自己树立“光辉形象”,神奇之光在本院行医,欢迎患者前来就诊;另一方面,激光器的确不是那狗肉店铺门前悬挂的羊头——装装门面而已,而是个个都有一些不俗的手段,能为患者解除病痛。

十三、激光在科技领域的应用

在部分人的心目中有一种倾向,衡量某项科技成果的价值时,只考察它在工业、农业及国防等领域的应用,而对其推动科学技术本身发展的意义则漠不关心。对此,科技界一位德高望众的前辈曾语重心长地说过:科学技术应为“四化”服务,而不是只为“三化”服务。即不仅要为工业现代化、农业现代化和国防现代化服务,而且也要为科学技术自身的现代化服务。作为20世纪科技界最有价值的成就之一,激光不仅在工农业及国防领域有着极为广泛的应用,而且在科学技术领域也起着十分重要的、有时是无法取代的作用。

十四、激光在武器与战争中的应用

激光的奇妙特点之一是,它能从事很多看上去有些矛盾,甚至互相对立的工作。例如,它既能对材料加热,又能致冷;既能进行切割,又能进行焊接;既能治疗脱发,又能治疗毛发过重;既能诱发核裂变,又能点燃核聚变……

我们知道,激光像一位医德高尚、医术高明的神医,治病救人的慈善家。本部分中的激光却是凶相毕露、杀气腾腾,不仅令人不寒而栗,就连飞机、导弹,也无不望“光”丧胆。

只要战争或战争的威胁尚存在,每当一种新技术出现,人们总会情不自禁地想到将其应用于武器与战争。激光,这个素有“死光”之称的东西自然更不例外。事实上,世界上第一台激光器刚刚问世,各国军事领域的研究人员便迫不及待地开始探索这一举世瞩目的发明可能给现代武器与战争,乃至人类社会各个方面带来的巨大影响。虽然最初还很少有人想到会很快拥有一种新武器,但不久就发现,激光的确可以成功地用于军事测距、目标指示与跟踪、激光雷达、激光制导等武器辅助系统或火控系统,使常规武器犹如猛虎插翅、蛟龙添翼,性能明显改善,威力大大增强。

然而,功力高深莫测的激光当然不会甘心只做些辅助工作。激光用作直接杀伤武器的研究也在迅速发展,从致盲人眼到烧伤皮肤;从破坏武器上的光电传感到拦截并摧毁洲际弹道导弹。总之,激光在武器与战争中的应用实在太广泛了。