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[军事科普] 激光科普贴(161楼新楚天奔腾激光见闻,军兔供应商哦)

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发表于 2012-5-24 16:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 xiaozhuzai007 于 2012-5-27 17:38 编辑

一、什么是激光?
Laser 是“Light amplification by stimulated emission of radiation”的缩写,表示了激光是通过原子受激辐射发光和共振放大形成的。原子具有能量不连续分布的能级,通常状态下,原子处于最低能级,叫做基态,是稳定状态,这时电子在离核最近的轨道上运动。当有外部能量输入,电子吸收能量而被激发到能量较高的能级,这时称为激发态或高能态,被激发到高能级的原子是不稳定的,存在回到低能级的趋势。当原子从高能级跃迁到低能级时,其能量差则以光子的形式辐射出来,即自发辐射,又称荧光。如果在原子跃迁时是受到外来光子的诱发,原子就会发射一个与入射光子的频率、相位、传播方向、偏振方向完全相同的光子,这就是受激辐射。原子在外来能量的激发下,使处于高能级的原子数目远大于低能级的数目,称为粒子数反转。这时在外来光子的刺激下,产生受激辐射发光,这些光子再通过谐振腔的作用产生放大,就形成了激光。普通光源为非相干光源,它们发光以自发辐射为主,各发光点所发出的光在频率、方向、位相、偏振上均是随机的。而激光与普通光源最重要的区别在于激光是相干光源,它具有高强度、高方向性、高单色性、高相干性,也正是这四个优异的特性决定了激光的应用范围和领域。
二、激光器的种类
根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类:
① 固体(晶体和玻璃)激光器
这类激光器所采用的工作物质,是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的;
② 气体激光器
它们所采用的工作物质是气体,并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同,而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等;
③ 液体激光器
这类激光器所采用的工作物质主要包括两类,一类是有机荧光染料溶液,另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子(如Nd)起工作粒子作用,而无机化合物液体(如SeOCl)则起基质的作用;
④ 半导体激光器
这类激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用,其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入),在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间,通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转,从而产生光的受激发射作用;
⑤自由电子激光器
这是一种特殊类型的新型激光器,工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束,只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射,原则上其相干辐射谱可从  X射线波段过渡到微波区域,因此具有很诱人的前景。
工业用的激光,加工形式主要是切割与焊接,其中切割要占到70%以上
现在用于激光切割的激光器主要有 CO2激光器、Nd:YAG 激光器、Nd:YVO4激光器、光纤激光器、准分子激光器。
1、输出波长为 10.6μm 的 CO2激光器,它的功率范围大,从几瓦到几万瓦;可以使用连续和脉冲输出两种模式;电光转换效率高;单色性好;光束质量好;其缺点是气体激光器的激活粒子密度较低,需要较大体积的工作物质,因此其体积比较庞大。大功率的 CO2激光器通常用在精度较低的大型工件的切割中。
2、输出波长为 1064nm 的掺钕钇铝石榴石激光器,即 Nd:YAG 激光器,可以在连续和脉冲两种状态下工作,体积小,可以高重复频率运转,是固体激光器中最有代表性、使用最广泛的一种激光器。其最大连续输出功率可达 10kW 以上,在大功率切割和精密加工中均有应用。但其缺点是转换效率低,光束质量较差。
除此之外还有利用倍频晶体实现二倍频(532nm)、三倍频(355nm)、四倍频的(266nm)的绿光及紫外激光器,它们在精细加工中应用较多。
3、掺钕钒酸钇激光器,即 Nd:YVO4激光器,与 Nd:YAG 相比它对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面,且输出为线偏振。激光二极管(LD)泵浦的 Nd:YVO4晶体与 LBO,BBO,KTP 等高非线性系数的晶体配合使用,能够达到较好的倍频转换效率,可以制成输出近红外、绿光、紫外等类型的全固态激光器。它已经广泛应用在很多领域,且正迅速的取代传统的水冷离子激光器和灯泵浦激光器的市场。
4、光纤激光器,它是使用光纤作为工作物质的激光器,其种类较多,应用较多的主要是稀土掺杂光纤激光器,辐射波长由基质的稀土掺杂剂决定。其光束质量不受激光功率运作的影响,光束质量好。它结构简单,体积小巧,电能消耗少。光纤激光器在大功率切割和精密切割中均有应用,且呈现出逐步取代传统高功率激光器和 YAG 激光器的趋势。
5、准分子激光器,它是以准分子为工作物质的一类气体激光器件,短波长的紫外激光输出是准分子激光器应用的突出优点,曾经是首选的紫外激光源,紫外光频率高,光子能量大,可以直接深入到材料内部进行冷加工,实现对材料的剥离,特别适合精细的加工。因此一直以来,它在紫外“冷加工”应用领域中占有主导地位,在医学、半导体和微电子领域有广泛的应用。但是准分子激光器有许多固有的缺点,所有的准分子激光器都要使用有毒气体,气体的更换,存储和调整过程非常麻烦;它们的体积庞大,价格昂贵,操作和维修费用高;最大的问题在于准分子激光器的输出光束大而方,空间质量较差,这严重地限制了光束的聚焦性,使得在微处理过程中一定要使用掩模板。随着结构紧凑、高平均功率、高可靠性、操作简便的半导体泵浦全固态紫外激光器的出现,准分子激光器在某些领域有逐步被取代的趋势。

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 楼主| 发表于 2012-5-24 16:45 | 显示全部楼层
激光与物质的相互作用
激光与物质的相互作用是激光加工的物理基础,只有对其机理的进行研究,才能使激光的应用领域不断明确和具体化。这是一个极为复杂的过程,涉及广泛的学科领域,包含众多微观过程和宏观现象。研究激光与材料相互作用主要针对这个过程中的能量变化,即为了说明激光将能量传递给物质的机理。激光照射到材料表面,电磁能转化为电子的激发能,然后在转化为热能、电能、化学能、机械能等其它形式能量。这一过程中会发生不同的温度变化和物态变化,如升温、熔化、气化、等离子化等,这主要和激光的波长、能量密度、作用时间、材料性质(对激光的吸收率、热导率、比热容、熔沸点等)有关。当激光照射到材料表面时,使材料的温度不断上升,被照射区域吸收的激光能量与其对外输出的能量差越大,材料温度上升越快;激光条件相同时,材料热导率越小,被照射区域与周边材料的温度梯度越大;能量差相同时,材料的比热容越小,材料被照射区的温度越高。
激光与材料的相互作用中,我们大致可以将材料分为金属和非金属两类进行讨论,它们主要区别在于对激光的吸收机理及吸收率不同。当光入射至洁净光滑的金属表面时,金属中自由电子在电磁场作用下做受迫振动产生次波,这些次波构成了很强的反射波和较弱的透射波,透射波很快的被吸收,在小于波长数量级的穿透深度内,自由电子与晶格碰撞将入射的光波能量不可逆的转化为焦耳热,表现为强烈的吸收。另一方面大部分的入射光能量被反射,金属表现出较高的反射率,具体来说它与入射波长、金属性质和金属表面状态有关,通常金属的自由电子密度越大,即导电率越高,反射率越高;粗糙表面要比光滑表面吸收率要高近一倍;在可见光和红外波段内,大部分金属都有较高的反射率,而在紫外波段的吸收率很高。因此在切割金属时要根据吸收率选择合适的波长的激光,同时对表面进行适当的处理提高吸收率。非金属对激光的反射率较低,表现为高吸收。长波长激光照射非金属时,激光能量直接被分子吸收而使热运动加强,短波长激光照射时,高能量光子会激励壳层上电子,通过碰撞使激光能量转化为热能吸收。非金属材料种类繁多,性质差异较大,大致可以分为绝缘体、激光光学材料和半导体来进行讨论。一般的非金属材料对紫外激光光和二氧化碳激光吸收率很大,而对近红外输出的固体激光器的吸收率随材料的不同而又很大变化。对于大多数有机材料来说,激光切割后激光与物质的相互作用是激光加工的物理基础,只有对其机理的进行研究,切边会碳化,玻璃和陶瓷等无机非金属材料导热性差,激光切割后会沿着加工路线产生很高热应力,使线膨胀系数较大的材料易产生裂缝或破碎。激光与材料相互作用过程中另一个重要的过程就是等离子体的产生,激光照
射到材料表面,表面薄层短时间内吸收大量的能量,温度急速升高变为气态,此时表面层的热量也向内部扩散形成热影响层,但热影响层对激光的吸收远小于表面层,致使表面层蒸气继续升高形成等离子体。等离子体形成后的作用会因激光的功率密度而有所不同,等离子气对激光的吸收及其与激光的相互作用过程较为
复杂。

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 楼主| 发表于 2012-5-24 16:47 | 显示全部楼层
呵呵,今天先发这么多,明天继续跟
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CDer:000480440
发表于 2012-5-24 16:47 | 显示全部楼层
LZ继续,小白等科普
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发表于 2012-5-24 16:52 | 显示全部楼层
lz好贴,坐等更新。顺带问个问题就是激光器的个头和能量之间有什么联系没?有没有类似于摩尔定律那样的经验规律?
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CDer:000288404
发表于 2012-5-24 16:53 | 显示全部楼层
不错啊,学习一下,谢谢楼主科普。
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 楼主| 发表于 2012-5-24 16:55 超大游击队员 | 显示全部楼层
corarbor 发表于 2012-5-24 16:52 lz好贴,坐等更新。顺带问个问题就是激光器的个头和能量之间有什么联系没?有没有类似于摩尔定律那样的经验 ...

媒介不同,差别会很大,co2的体积大,光纤的体积小
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CDer:000137084
发表于 2012-5-24 16:59 | 显示全部楼层
用那个泵浦固态激光的话可以不用掩模版吗?以后光刻机能实现直刻吗?
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CDer:000593843
 楼主| 发表于 2012-5-24 17:01 超大游击队员 | 显示全部楼层
bikaqu10 发表于 2012-5-24 16:59 用那个泵浦固态激光的话可以不用掩模版吗?以后光刻机能实现直刻吗?

这个我不太清楚,不过固体激光局限太多,以后是光纤的天下
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CDer:000400398
发表于 2012-5-24 17:01 | 显示全部楼层
自由电子激光是个怎么回事?碘氧激光是个怎么回事?神光III和郭嘉点火装置是哪种类型?海水里哪种激光最好传播?能传播多远?空气中呢?天地之间呢?
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CDer:000487311
发表于 2012-5-24 17:02 | 显示全部楼层
营养丰富啊。。。楼主能介绍一下MD的ABL么。。。那玩意在DISCOVERY节目看过。。。很梦幻啊
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CDer:000562805
发表于 2012-5-24 17:03 | 显示全部楼层
多谢楼主为我等众小白科普。
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CDer:000514617
发表于 2012-5-24 17:05 | 显示全部楼层
楼主注意讲原理就行,涉及系统核心的东西要注意保密,这两天有人在坛子里打听激光方面
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CDer:000593843
 楼主| 发表于 2012-5-24 17:05 超大游击队员 | 显示全部楼层
playfish 发表于 2012-5-24 17:01 自由电子激光是个怎么回事?碘氧激光是个怎么回事?神光III和郭嘉点火装置是哪种类型?海水里哪种激光最好传 ...

自由电子的还处于实验状态,我不是做军用激光的,没有办法回答你,那里面门道太多,而且还涉及机密
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CDer:000137084
发表于 2012-5-24 17:06 | 显示全部楼层
光纤好在什么地方,现在世界水平到什么程度,咱们国家的民用激光最差的地方在哪?想知道整个行业的发展情况。
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CDer:000593843
 楼主| 发表于 2012-5-24 17:08 超大游击队员 | 显示全部楼层
bikaqu10 发表于 2012-5-24 17:06 光纤好在什么地方,现在世界水平到什么程度,咱们国家的民用激光最差的地方在哪?想知道整个行业的发展情况 ...

关于光纤的好处我明天会继续跟进详细讲解
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CDer:000599371
发表于 2012-5-24 17:09 超大游击队员 | 显示全部楼层
这些都是百度得到的,不涉密,只是军工方面的进度才涉密
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CDer:000561839
发表于 2012-5-24 17:11 | 显示全部楼层
楼主好人
科普贴
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CDer:000558910
发表于 2012-5-24 17:11 超大游击队员 | 显示全部楼层
前排学习,楼主有木有图图?加点图图不错哇
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 楼主| 发表于 2012-5-24 17:12 超大游击队员 | 显示全部楼层
p153811 发表于 2012-5-24 17:09 这些都是百度得到的,不涉密,只是军工方面的进度才涉密

不是来源于百度,但是也不涉及机密,是来自需要收费的资料
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CDer:000409923
发表于 2012-5-24 17:13 | 显示全部楼层
就像星舰驾驶员里的那样,以后都得配上专用冷却系统了。
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CDer:000456889
发表于 2012-5-24 17:13 | 显示全部楼层
科普吗?
那只能好好学习天天向上了……
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CDer:000593843
 楼主| 发表于 2012-5-24 17:14 超大游击队员 | 显示全部楼层
sky丶明月 发表于 2012-5-24 17:11 前排学习,楼主有木有图图?加点图图不错哇

明天加图,今天不方便
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CDer:000593843
 楼主| 发表于 2012-5-24 17:16 超大游击队员 | 显示全部楼层
guarddefend 发表于 2012-5-24 17:13 就像星舰驾驶员里的那样,以后都得配上专用冷却系统了。

冷却是必不可少的
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CDer:000577185
发表于 2012-5-24 17:19 超大游击队员 | 显示全部楼层
小时候玩的那叫激光笔吗?
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CDer:000577185
发表于 2012-5-24 17:19 超大游击队员 | 显示全部楼层
小时候玩的那叫激光笔吗?
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 楼主| 发表于 2012-5-24 17:21 超大游击队员 | 显示全部楼层
汉风鸣玦 发表于 2012-5-24 17:05 楼主注意讲原理就行,涉及系统核心的东西要注意保密,这两天有人在坛子里打听激光方面

那是一定,科普就是为了遏制水军和五分党的生存空间
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发表于 2012-5-24 17:21 | 显示全部楼层
xiaozhuzai007 发表于 2012-5-24 17:16
冷却是必不可少的

用冷却进行防御。星界战旗里,防御盾除了装甲外,还有冷却系统
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CDer:000593843
 楼主| 发表于 2012-5-24 17:25 超大游击队员 | 显示全部楼层
一号大灰机 发表于 2012-5-24 17:19 小时候玩的那叫激光笔吗?

是,瓦数很低,现在是作为激光指示光,代替高功率激光进行光路校正
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CDer:000593843
 楼主| 发表于 2012-5-24 17:38 超大游击队员 | 显示全部楼层
guarddefend 发表于 2012-5-24 17:21 用冷却进行防御。星界战旗里,防御盾除了装甲外,还有冷却系统

汗一个,那貌似不是同一个东西啊
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CDer:000266104
发表于 2012-5-24 17:47 | 显示全部楼层
xiaozhuzai007 发表于 2012-5-24 16:55
媒介不同,差别会很大,co2的体积大,光纤的体积小

那么同样能量的情况下什么工质的最不占体积哦?
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 楼主| 发表于 2012-5-24 17:51 超大游击队员 | 显示全部楼层
corarbor 发表于 2012-5-24 17:47 那么同样能量的情况下什么工质的最不占体积哦?

输出功率一样的话,是光线激光器。但是纯体积的话,固体激光器要小,需要配大型的冷却系统
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CDer:000589775
发表于 2012-5-24 17:53 | 显示全部楼层
学习中,楼主继续
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发表于 2012-5-24 17:53 | 显示全部楼层
这是原创?  我N年前貌似看过
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发表于 2012-5-24 17:54 | 显示全部楼层
坐听科普贴
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 楼主| 发表于 2012-5-24 17:57 超大游击队员 | 显示全部楼层
擅解人衣 发表于 2012-5-24 17:53 这是原创? 我N年前貌似看过

很多资料的整理而已,我没说是原创,再说这东西也没法原创啊
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发表于 2012-5-24 17:59 | 显示全部楼层
xiaozhuzai007 发表于 2012-5-24 17:51
输出功率一样的话,是光线激光器。但是纯体积的话,固体激光器要小,需要配大型的冷却系统

lz啊,光纤(还是“光线”)激光器是什么哦?好像你的主题里面没有提到这种的。
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CDer:000593843
 楼主| 发表于 2012-5-24 18:01 超大游击队员 | 显示全部楼层
corarbor 发表于 2012-5-24 17:59 lz啊,光纤(还是“光线”)激光器是什么哦?好像你的主题里面没有提到这种的。

用手机发的,是光纤
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发表于 2012-5-24 18:13 超大游击队员 | 显示全部楼层
xiaozhuzai007 发表于 2012-5-24 18:01  用手机发的,是光纤

兄弟,学激光的?那个学校的,我也学这个的
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发表于 2012-5-24 18:13 | 显示全部楼层
xiaozhuzai007 发表于 2012-5-24 17:57
很多资料的整理而已,我没说是原创,再说这东西也没法原创啊

看斑猪加分的说的
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