激光技术的新应用

lauriexiang · 发表于 2003-6-19 23:57:00

激光技术的新应用
上海意欧电子科技有限公司向东辉

半导体激光器主要应用于以下领域：1，通信；2，信息存储及读取；3，激光医疗（生命科学方面）；4，激光材料加工。而半导体激光器的普及又与半导体激光器技术的发展紧密相关，半导体激光器的种类由普通FP 激光器到DFB（MQW-DFB）激光器 DFB（Distribution feedback）再到DBR(Distribution feedback reflection)激光器，再到VCESL（Vertical Cavity Surface Emitting Lasers）即垂直腔面发射激光器；其波长也由普通635nm，650nm到808nm、850nm，再到1310nm、1550nm等波段，而功率也由几毫瓦发展到数瓦的大功率激光器；其应用范围有常用的通信用激光器和DVD、VCD激光器的信息读取发展到今天的激光美容、计算机光互联、光背板、光耦合、激光拦截导弹技术、激光育种等各个领域，而且还在向各个领域进一步普及、推广，所以作为光电子领域企业要及时跟踪世界激光技术的最新动向，把握先机，开拓激光应用新领域是有重要意义的。
举个例子,曾经有一家国有小厂，由于经营不善，连年亏损，流动资金仅剩几千元，他们被迫转变经营方向，当时选中激光医疗设备作为发展方向，开发出一系列如激光理疗仪、激光针灸，等激光医疗产品，从此扭亏为盈，从一个净资产仅几十万元的小厂发展到今天上千万产值的大厂，由此可见选择发展方向对企业是很重要的。
一, 在通信领域；
LD作为有源器件的重要部分，由于半导体激光器具有体积小，可集成，驱动电流小，寿命长等优点，使其成为光通信的光源的唯一选择，并且由于半导体技术，集成电路技术，晶体芯片制造技术已经相当成熟，所以半导体激光器得到长足的发展，生产成本不断降低，由于半导体激光器在光通信设备的成本中所占比例很大，所以也使光有源器件价格降低，而使光通信的成本逐渐接近电通信器件的成本，使光通信得到广泛的应用，逐渐取代电通信。二极管激光器之所以成功是来自电信的繁荣。而其中长波长激光如DFB、DBR，和中波长激光FP的市场增长趋于饱和，是因为长途干线带宽过剩，而接入网带宽不足，所以近几年850nm以下的短波长激光器如VCESL或650，630的LD或LED的市场有较大发展（有 Zarlink Semiconductor公司推出650nm的谐振发光LED，在50米POF（塑料光纤）传播速率可高达500Mb/s）。垂直腔面发射激光器VCSEL它在较短波长上将会取代边发射激光器。
2002年OFC展出的可调节波长半导体激光器采用分段注入电流，用改变注入电流来改变LD激活区中载流子的密度，从而改变折射率，因此，驱动电流的改变导致辐射波长的改变，是半导体激光器的新进展。而可调谐激光器的市场也随着DWDM,CWDM的普及及可调谐激光器技术的成熟也会有一定发展，保守地认为到2005 年可调谐激光器所占的市场份额能达到4 亿美元，850nm波段(770～860nm)的明显特征是具有大的衰减(在老式光纤中有3.75dB/Km)、多模光纤中的高模态和色散、以及激光安全方面的担心，如果没有对开放光纤控制到-4dBm或更高，就会限制激光最大功率的使用。工作在850nm波段的收发器不能用于单模光纤(标准9mm单模光纤不支持1260nm以下的单模)。这些局限可将850nm波段收发器的工作距离在10Gb/s时减小到不足30m，具体取决于光纤类型。然而，由于其低成本，850nm收发器在光背板和LAN应用中仍很普遍。而1310nmVesel 激光的研制成功为其进入长距离通信创造条件。

二，信息存储及读取；
  在光存储领域，用光照射光盘的点上，由点的光反射特性（如强反射和弱反射等）来代表信息为0或1，从而读出或存储信息。新的格式不断出现，可记录DVD已经登台亮相，尽管它较昂贵且DVD机的选择也较复杂。光存贮工业是激光二极管的第二大市场， 2001 年用于DVD 的较新650nm 激光器的销售额首次超过用于CD 的780nm 激光器，650nm 器件的销售金额为3.3 亿美元780nm 激光器则为3亿美元。条码扫描领域非半导体激光器销量仍继续下滑，半导体激光已经用于光盘存储器，其最大优点是存储信息量很大。由于红光波长为650nm，635nm，所以采用波长更短的532nm或更短的蓝、绿激光能够大大提高光盘的存储密度。
  光信息处理。半导体激光器已用于光信息处理系统。表面发射半导体激光器，VCESL垂直腔面发射激光器二维列阵是光并行处理系统的理想光源，可用于光计算和光神经网络。
激光机打印机。高功率半导体激光器已经用于激光打印机，采用蓝、绿激光能够大大提高打印速度和分辨率。

三，激光医疗（生命科学方面）
由于激光的单色性，相干性，准直，高强度，等独特特点，使其在医疗方面得到广泛应用，利用激光的物理特点，即利用光子能量对人体的作用治疗慢性疾病的“光量子疗法”已在国外流行。利用激光能量高度集中、穿透力强，气泡按摩刺激穴位等双重作用于人体经络穴位和病变组织，促进血液循环，加速病变部位受损组织的修复、再生，达到消炎杀菌、抗感染、镇痛，调整机体内平衡，加快病变部位痊愈等治疗和保健作用。可将激光能量输入人体深部组织，有效地作用于经络穴位及病变部位，产生如镇痛、消炎，抗感染，促进组织修复，调整机体内平衡，刺激再生等生物刺激作用，达到激光、磁疗、针灸多重效应。采用波长为632.8nm的半导体激光通过光纤针经静脉留置针导入血管内，对循环血液进行照射，激光可使血液中的蛋白质（酶和其它功能蛋白质）分子构象发生改变，通过换能性的光化学作用使机体产生一系列的生物效应，其中包括：
①改变血液流变学性质（降低全血粘度、血浆粘度、血小板聚集能力和红细胞聚集能力，以及增强红细胞变形能力），使血液凝固性降低，抑制血栓形成，改善血液循环，特别是改善微循环；②调整机体内的免疫（包括体液免疫和细胞免疫）状态，提高机体的抗病能力，有利于感染性疾病以及与变态免疫性有关疾病的恢复；③改善机体中毒状态，增强体内超氧化物歧化酶（SOD体内清除自由基的一种酶）的活性，降低体内中分子物质（MMS）的水平和减少其他毒性物质的堆积，从而保护机体免受自由基、MMS以及其他毒性物质的损害。疗法具有非特异性和广谱的治疗作用。
在美国新的激光医疗仪器和医疗技术不断出现，如激光进行切除椎间盘突出，激光碎石术治疗，准分子激光作角膜刻划来矫正视力已作了2万多例，1995年又推广了CO2激光美容手术，特别是去掉皮肤皱纹的手术受到欢迎，这两项手术的推广导致1995年医用激光器的收入增加。这种去掉皮肤皱纹的方法称为皮肤再光滑激光疗法。
日本利用激光治疗癌症十分积极，主要是Ar激光激励、闪光灯激励、准分子激励的染料激光器。随着光纤技术的发展，它们是非切开治疗体腔内癌的划时代的新手段，还能治疗血管狭窄、闭塞、给心脏外科带来革命。光纤腹腔镜已顺利走上应用轨道，不动手术的腹腔内疾患激光治疗法，对高龄人口结构的日本具有重要的、现实的意义。激光针灸用激光通过光纤针，代替传统金属针灸疗法，无痛苦，已在各个医院普及。用激光照射血管的血管内照法，可治疗心血管疾病。还有激光动力学治疗。将对肿瘤有亲合性的光敏物质有选择地聚集于癌组织内，通过半导体激光照射使癌组织产生活性氧，旨在使其坏死而对健康组织毫无损害。
“激光透视”的疾病诊断法在现在是激光医学的新发展，测定激光照射在生物体时的吸收，散射，荧光等光谱，可以测定生物体的状态，被称为optical biopsy的生检，发展成为也可用用激光代替X光做透视图，如光CT,用探测激光穿过人体的透射光，可以得到生物体的透视图，而且无X光对生物体的损害的副作用，有很好的发展前景。
四，激光材料加工。
包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术等。日本一技术开发机构经过实验确认短波长的紫外线可制造线宽为０．０７微米的半导体元件，实用化后可将存储元件的信息存储容量提高６０倍。现在的半导体元件加工技术多采用波长为２５０纳米的紫外线激光在线路板上曝光，能够蚀刻线宽为０．２５至０．１５微米的半导体元件。由日本政府和企业联合组成的超尖端电子技术开发机构通过实验确认，使用波长为１３纳米的紫外线可加工线宽为０．０７微米的精细半导体电路。
  美国是世界上最早建立激光加工站的国家，许多加工站建立于70年代中期，1996年的统计结果表明，美国激光加工站的年收入已逾60-80亿美元，在美国激光加工站已超过1765家，这对于在美国推广激光加工技术起着重要的作用
激光加工切割的灵活性、高精度、高速度、高可靠性、高效率等优点，不仅在薄板工业上，而且在金属、塑料、陶瓷业中也广为使用。最近5轴或6轴三维激光切割机器人已在日本汽车、机械、电机重工中大显身手。同时，激光焊接有许多优势所在，如热源的光路操纵容易，控制简单，工件的变形小，热影响区狭窄，精确性和自动化程度高，大多数情况下不需要真空工作室等等。激光焊接的这些优点足以弥补其不足。由于激光束能够获得相当高的能量密度，而且是一种清洁并可以方便控制的热源，所以，激光加工引起了生产和科研领域的广泛关注与深厚兴趣。根据激光加工工作方式可分为连续波激光和脉冲波激光。目前，几乎所有用于焊接和热处理的固体Ｎｄ：ＹＡＧ激光器都与光导纤维系统组合使用，具有革新性的纤维传送系统与Ｎｄ：ＹＡＧ激光器的结合大大增加了激光加工系统的方便性与灵活性，这种组合系统对于工业上的多工作台同时加工及机器人或机械手操纵非常理想。在航空工业以及许多其它应用中，激光焊接能够实现类型材料的连接，而且激光焊接通常具有许多其它传统熔焊工艺所无法比拟的优越性，尤其是激光焊接能够连接航空与汽车工业中比较难焊的薄板合金材料，如铝合金与钛合金等，并且构件的变形小，接头质量高，重现性好。激光加工的另一项具有吸引力的应用方面是利用了激光能够实施局部微小范围加热的特性，激光所具有的这种特点使其非常适于印刷电路板一类的电子器件的焊接，激光能在电子器件上非常小的区域内产生很高的平均温度，而接头以外的区域则基本不受影响。
激光焊接在日本电子、电机、汽车、车辆零部件，OA机器等小件、大批量生产中得到迅速发展。如在汽车车体制造中日本大胆采用有坯料时就将薄钢板实施激光焊接后冲压成型的新方法（Tailorcd Blank Welding），现已为世界上绝大多数汽车厂家所仿效。日本以5kW及10kW二氧化碳激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接。在薄、中厚板钢管、高级薄型不锈钢制造时，与高频电焊、TIG焊相结合，保证了质量的稳定性。
日本致力于激光超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本引以为自豪的是在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修，这是日本最大限度地利用YAG激光（波长1.06微米）能以石英光纤遥控传输和集周边设备之大成的尖端技术。随着今后3kW以上的高功率、高亮度且控制维修性皆佳的YAG激光器和新一代二极管激光激励大功率固体激光器的诞生，软硬件的配套，预计这一领域的激光技术还会有新的突破。
  汽车工业是激光加工应用最多的领域之一，随着大功率输出的二氧化碳激光器的出现，金属表面处理工艺得到了很大的进展。其中应用较广的有激光涂层、激光合金化、激光抛光、激光冲击硬化等工艺技术。激光表面处理在汽车的发动机阀座、车顶外壳与框架等零部件的制造中得到了广泛的应用。激光测量在汽车工业中成为技术测量的主力，它可以将零部件与模型比较，对经过修理或修改的零部件与原始模型进行比较，或在零部件的设计改变后迅速修改刀具或模具。
激光快速成型技术是在90年代初，在计算机、激光、高分子材料、CAD／CAM、
精密机械等新技术迅速发展下应运而生的，并在汽车工业中很快得到应用，它突破了制造业的传统模式，成为当前最具吸引力的技术。激光快速成型系统一般采用：氧化碳气体或氩气体激光器，利用计算机将复杂的三维物体转化为二维层，然后利用“积分”的思想，将热塑性塑料粉末或胶粘衬底片材纸张烧结，由点、线构造零件的面(层)，然后逐层成型。激光快速成型技术可使新产品及早投放市场，极大地提高了汽车生产企业对市场的应用能力和产品的竞争能力。

五激光的新应用
  近年来，随着激光技术的发展，出现了一些新应用。如：激光在农业的应用，1,处理种子：在激光作用下的种子会提高产量。激光改良水果，采用激光照射处理的办法，治好了一种叫“沙子早生”的桃子树的“不孕症”，结果率达８５％以上，产量比原先提高４倍以上，而且果子的品质也获得提高，含糖量高达14.5％，恢复疲劳素（天冬氨酸）的含量提高３５％左右。现在，科学家还在试验利用激光改造育种：激光能诱发生物遗传结构改变，甚至发生突变，从而培育出优良的新品种，这种科学方法称为激光育种。农业育种学家根据绿色植物的叶片经过一定波长激光照射后，会发出一种非常微弱的荧光的特点，采用灵敏的仪器将此荧光的光量测出并记录下来，再对照不同品种植株苗的荧光亮度与产量的关系，发现同一品种农作物的荧光越强，产量就越高。除草：美国一家农业研究所的科研人员研制成功一种新型的激光除草剂，其主要成分是按基乙酰丙酸。这种除草剂完全是通过光发挥作用的，效力大，用量小，不损害农作物，对人畜无害，使用非常方便。于黄昏前喷射施用，被杂草吸收后，在光的作用下，便产生有害物质，破坏杂草的细胞膜，最后流出汁液，在4 小时之内杂草就变白而枯死。还有剪羊毛,灭虫,改良水果品种等。
  还有用激光完成了输电功能，美国拉里安公司成功地运用光纤完成了输电功能，在电力领域中开拓出一条崭新的途径。他们在发送端利用半导体激光二极管，把电能转变为激光在光纤中传送，用太阳能电池作为接收端器件。这种器件用300微米厚的砷化镓作为绝缘基片，上面覆盖有20微米厚的太阳能电池。它被分为6个独立的区域，这些区域由镀金的空气桥串联起来，当由光纤传来的激光照射到太阳能电池时，光能立即变成电能。每个区域产生的电压恰好是1伏，六个区域串起来就有6伏电压，足可供大多数传感器的控制电路使用。如果把激光二极管的功率继续提高，再配上整套的电能传送系统，光纤输电就可以广泛地使用于军事、工业、商业等各个方面。
超声波洗涤法激光清晰技术是用激光高亮度和发散度小的特点把高能量的激光束聚焦后照射在物品需要清晰的部位，使被照射的物质发生震动、熔化、蒸发、燃烧等一系列复杂的物理化学过程最终脱离物质表面从而实现对表面污染物的清除。激光清洗与传统方法相比，其特点是： 1，它是干式清洗 2，是“绿色”清洗 3，远距离操作 4，各种材料适用 5，设备可长期使用使用范围：典型应用：文物保护和清洗工业上也大有可为。
此外在军事应用方面，用二极管激励的YAG激光器高功率Nd∶YAG激光器作为战术高能激光武器以及高级战术激光武器，如1kW二极管激励YAG激光器由正由日本国立研究所制成。用激光二极管制造装甲车光电瞄准器也销路也不错。自从“9.11”事件以后，传感器、激光器、光扫描仪、红外摄像机、热成像仪以及其它光电器件将在新的反恐怖战争中起到前所未有的重要作用，而这些仪器中980nm的半导体激光器是其中的重要部件。
综上所述，激光技术的应用特别是半导体激光器的应用正处于方兴未艾的时期，而半导体激光器的发展方向是1：向大功率从几瓦发展到几十，甚至几百瓦方向发展，以其低廉的价格，小的体积，稳定的性能，长的寿命(如VCESL的寿命长达近100万小时即)逐渐取代某些大功率的非半导体激光器。2：特定波长，如蓝，绿波长的激光器。3：低成本，如VCESL（Vertical Cavity Surface Emitting Lasers）即垂直腔面发射激光器等。而在开发激光技术的应用时所涉及到光子生物学，光子材料物理学，光子化学，以及生物光学，激光技术，电子技术等多方位多学科的综合结晶，才能使激光技术开辟更广阔的领域，更好地造福于人类。

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