登陆注册
8148900000021

第21章 激光的产生及其应用(2)

最后,计算机控制的铣磨机磨出了三维头像,并由雕刻艺术家在其面部加上栩栩如生的表情和色彩。

按这种方式,依姆德被重构得如此真实,约克市考古中心主席说:“当我第一次看到头像时,简直被它的逼真惊呆了。我相信,如果依姆德同时代的人活到现在,一定能够认出他”。

去年的七月七日,是震惊世界的“七·七卢沟桥事变”六十周年。为使全国人民永远记住这个日子,抗日战争纪念馆二期陈列运用高科技展现历史,制作了一幅背景画,通过声、光、电效果巧妙地使模型、实物与画面融为一体。观众站在这幅“卢沟桥事变”背景画前,看到的是硝烟弥漫,烈火熊熊、大树被炮弹连根拔起,一座座房屋被摧毁;听到的是大炮的隆隆声,子弹的啸叫声,震耳欲聋的喊杀声,宛如这段历史又重现在眼前。

五、预报地震,消除雷电

地震是一种严重的自然灾害,它给人类生命财产造成的危害真可谓家喻户晓,人人皆知。因此,有效预报地震,多年来一直是老百姓的殷切期望,科学家的奋斗方向。然而,由于问题的复杂性,虽然中长期预报已得到可喜进展,准确的短期预报、特别是临震预报迄今尚没有明显的突破。

1995年1月17日,凌晨5点45分,日本神户的居民有的正在为刚刚开始的一天进行安排,而相当一部分人尚处梦乡。有谁料到1分钟以后,大地突然剧烈晃动,当地70年来最大的一次地震无情地吞噬了5500人的生命,导致35000人受伤,波及14个县的200000座建筑物被毁,直接经济损失达数千万美元。

此次强烈地震的发生再次敦促科学家们加快研究地震预报系统的步伐。而且,像人们30多年来已经习惯了的那样,每当碰到难以克服的困难或难以解决的问题,就把希望的目光投向那神奇而奥妙的激光技术。据1997年5月在美国出版的《光子学》杂志报导,日本通信研究实验室正在执行的“拱心石”计划,就是要用激光测距的方法进行地震预报。

地震的发生与地壳的运动分不开,而地壳的运动会导致太空中的物体与地球引力中心之间的距离发生微小变化。因此,科学家们认为精密测量这一距离,将使准确预报地震成为可能,而迄今人类所掌握的最先进的测距方法,当然莫过于激光测距。

的确,先进的激光测距技术能够以毫米级的精度准确地测量太空物体到地球引力中心的距离。近30年来,卫星激光测距已成为获得地表、大气、海洋数据的强大武器和探测与监视地壳的板块运动、地壳形变的有效手段。而这类运动与形变正是导致很多自然现象,如山脉变迁、火山爆发及地震的根本原因。通过分析激光测距得到的数据,地质学家可以研究地壳的局部移动并掌握地震的内在规律,最终通过科学手段预告地震。

卫星激光测距的基本原理是非常简单的,从地面站发射一个具有适当脉宽和能量的激光脉冲,测量它到达卫星并返回地面站所用的时间,由已知的光速便可求出卫星与地面站之间的距离。

卫星的轨道会由于种种原因(太阳风和引力反常等)而有所改变;光波在大气中传播时,由于大气的吸收和散射将引起能量损耗,这些因素都会影响测距精度。为此,地面站必须对测量数据进行修正,而多地面站和多卫星之间的测距是获得高精度和高可靠性数据的有效手段。

拱心石计划最终将包括5个卫星激光测距站,至少15颗卫星和1个分析中心。5个测距站中有4个是固定在地面的名副其实的地面站,1个是机载可移动卫星激光测距站。每个地面站拥有1台激光发射器和激光接收器,1架口径为1米的天文望远镜,计时系统,以及用于控制观察和采集数据的计算机。各地面站由激光通信系统互相联结构成网络,并由分析中心统一控制。

卫星测距系统的核心部件是一台固体激光装置,包括二极管泵浦的激光振荡器、二极管泵浦激光放大器、功率放大器、二次和三次谐波发生器。其脉冲重复率从单次到1千赫之间可调。

激光器以Nd∶YAG为工作物质,辐射波长为1064纳米,二次谐波(即二倍频)532纳米,三次谐波355纳米,脉冲宽度30皮秒(1皮秒=10-12秒)。

激光的能量根据要求可高可低。在低能模式下,输出能量应控制在按国际标准对人眼安全的范围内,对532纳米的辐射应不超过几个毫焦;而高能模式下可允许50毫焦的532纳米辐射和10毫焦的355纳米辐射。

高能模式对提高测距的信噪比是有益的,但所用激光束足以给距光源数公里以外的人造成伤害。例如,激光有可能射中飞机驾驶员的眼睛而使其视力受到暂时性或永久性伤害。很显然,对飞机驾驶员来说,即使几分钟的短暂失明,也有可能导致不堪设想的后果。

为解决上述问题,研究人员请来一位“探路向导”,即波长为1570纳米的激光,因为这种波长的激光对人眼“相当友好”,被称为是“人眼安全”的辐射(这方面的问题以后有关章节还会稍加详细地讨论)。在发射测距激光之前(提前300微秒),先发射一束波长为1570纳米的激光,如果它顺利地被目标反射回来,则表明前方道路畅通无阻,随即发射主激光进行测距;反之,如果探路者在到达目标之前便被“堵了回来”,则表明光路上可能有包括人在内的“路障”,拱心石的连锁系统将停止发射脉冲。

负责发送和控制激光能量的所谓自适应望远镜被安装在一个圆顶房屋里,具有大气实时校正功能,并能满足对卫星精确瞄准和跟踪的要求。激光通过望远镜后由圆屋顶上精心安排的窗口射出,观测可以在总指挥站控制下自动进行,而所获得的数据则被直接送到分析中心去处理。快速的数据传送和处理使得分析几乎是在瞬间进行的,这对千钧一发的临震预报来说,其重要性是显然的。

总之,拱心石计划采用了以激光为“龙头”的多项先进技术,使地质学的研究达到一个崭新的阶段,也使关系到千万人生命的地震预报具备了现代科学技术的依托。

雷击也是一种常见的自然灾害。由于云端电荷积累,使其对地电位升高,与地面之间的电场强度增强。特别是,当这一区域有高大建筑物时,天空与该建筑物之间由于垂直距离较近而使电场强度进一步增强,到一定程度就会将路径上的大气击穿而发生由天空向建筑物、大树、甚至地面人和畜放电,导致建筑物被毁,造成人员伤亡。

雷电来临时隆隆之声震耳欲聋,道道利闪刺目致眩,乌云翻滚,大有压摧城池之势。仿佛在宣告:雷公在此,孰奈我何?“休要猖狂,我来了!”随着一声怒吼,神奇之光挺身而出,当前面提到的电场尚未达到对大气天然击穿的强度时,但见一束激光捷足先登,强行击穿大气,打开一条放电通道,使天空积累的电荷由此通道安全释放。再看那雷公,如泄气的皮球,再也嚣张不起来了。

雷鸣及伴随发生的电闪是一种光电现象,说起来与激光也算得上有点“亲戚”关系,但由于它对人类有害,习惯为民造福的激光自然对其毫不留情,真可谓“大义灭亲”。

六、激光精打微细孔

打孔是工业中最普通的项目之一。因此,激光器发明后不久,人们就希望将这种新奇的手段应用于传统的工作中,并于1962年实现了这一思想。

激光几乎可以在任何材料上打孔,软的如婴儿奶瓶盖上的胶嘴,硬的如地球上迄今发现的最硬的天然材料钻石。由于激光束可以聚焦到比头发丝还细,所以,令其他方法最感望尘莫及的还是打极微细的孔。

随着个人电脑和计算机工作站性能的提高和多媒体设备的逐渐普及,要求印刷线路板向多层化和高密度化方向发展,而层与层之间的互连要求在芯片上打出成千上万个配线微孔。这些孔的孔径只有几十微米,而孔深与孔径在同一量级,用以往的方法加工起来十分困难。据悉,这是多片组件价格较高,因而使推广应用受到限制的主要原因。

最近,国外多家公司纷纷报导他们用激光在聚酰亚胺(一种制作印刷电路基板的材料)上试打微孔获得成功。例如,美国加利福尼亚州里特尔仪器公司演示了一种产生通孔的方法,用波长248纳米的准分子激光在50微米厚的聚酰亚胺上每分钟打出上百万个标称直径为25微米的通路孔,并于1996年秋季向多片组件基板制造商提供第一台样机。日本三菱电机公司开发了一台高效率准分子激光装置,1分钟内在尺寸100平方毫米、厚25微米的聚酰亚胺基板上打出几万个微孔,最小孔径10微米。而日本松下研究所东京公司则与一个光纤制造商合作,发展了一种专用石英光纤,传导波长308纳米的准分子激光进行打孔。根据公司提供的数据,一个光脉冲可打孔径0.5微米的孔。一旦这些成果走向实用化,多片组件将会变得更加经济和普及。

七、切割裁剪激光刀

切割的基本动作也是打孔,区别在于,它不是只打一个孔或打一系列彼此独立的孔,而是相继打一系列孔,并使它们按一定的规律搭接,连成所需要的线。因此,在激光打孔出现后仅过了一年,1963年便开始用激光进行精密切割。

与传统切割法相比,激光精密切割有很多优点,例如,能造成极细的切口;几乎没有切割残渣;热作用区小;切割噪声小等。此外,由于激光辐射能以极小的惯性快速偏转,故能按任意需要的形状切割。

激光可用于切割各种各样的材料。既可以切割金属,也可以切割非金属;既可以切割无机物,也可以切割皮革之类的有机物。它可以代替锯切割木材,代替剪子切割布料、纸张,还能切割无法进行机械接触的工件(如从电子管外面切断内部的灯丝)。由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲击和压力,故适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料。再加上激光光斑小、切缝窄,且便于自动控制,所以更适宜于对细小部件作各种精密切割。或在金属等材料上快速刻画各种图案、数字及文字。

1995年9月,德国研究人员用二氧化碳激光器对玻璃进行切割,大大提高了切割速度、精度及总体效率,误差在0.1毫米之内,且切口光滑,不需要再抛光。高质量边缘可改进大批量生产产品的质量,例如用于切割镀膜元件和反射镜,制造者再也用不着担心像传统方法那样在工件上产生几乎不可见的裂纹引起光能量的衰减。

用剪刀裁剪布料大概已有数千年历史,这与尚未到“不惑之年”的激光似乎没有什么瓜葛。但是,几乎是无处不在的神奇之光却引起制衣业一场革命,它能在同一时间裁剪500件相同尺寸的衣服!使制衣效率大大提高。

据有关方面专家推测,若干年后,需要制做衣服的顾客可将其按照身材量好的尺寸通过光纤光缆电话线传给制衣商,有关数据被直接输入计算机,后者控制激光裁剪机,从而实现“顾客裁剪”,就好像各种规格的衣服挂在那里,等候适当身材的人去选购。按照这种方式,就可以避免“标准尺寸”的衣服大量积压。

八、焊接工件胜粘胶

按照传统观念,焊接与切割是一对互相矛盾的加工过程,所用的工具或手段也截然相反,切割用锯刀,焊接用焊枪;裁剪用剪刀,粘合用粘胶。但是,比激光切割晚一年,于1964年出现的激光焊接技术使这种观念彻底改变。神奇奥妙的激光既能切割,又能焊接,既能裁剪,又能粘合,集对立的功能于一身。

九、激光标刻与雕刻

同类推荐
  • 学生的智力素质教育与升级方案(下)

    学生的智力素质教育与升级方案(下)

    素质教育主要着眼干广大学生及社会长远发展的要求,以面向全体学生、全面提高学生的基本素质为根本宗旨,是以注重培养广大学生的态度、能力、促进他们在德智体等方面生动、活泼、主动地发展为基本特征的教育。
  • 小学生最着迷的200个科学游戏(小学生爱读本)

    小学生最着迷的200个科学游戏(小学生爱读本)

    《小学生最着迷的200个科学游戏》收录的200个科学小游戏,都是非常经典且极具趣味性的。这里的科学,并不是指那些科学家们钻研的高深理论,而是在我们身边确实存在,小学生们也确实可操作的科学游戏。每一个游戏都极具实用性和代表性,全方位地向小朋友们展示了科学的无穷魅力。为了让同学们能更好地理解游戏过程,《小学生最着迷的200个科学游戏》为每一个游戏都设计了相关的手绘步骤示意图,让大家学起来轻松,做起来简单,使同学们更好地把学到的科学知识运用到实际生活中,真正做到学有所用、学有所悟,而不是成为光说不练的“书呆子”。
  • 学生家庭生活中的108个怎么办

    学生家庭生活中的108个怎么办

    青少年在成长过程中难免遇到这样或那样的问题,本书以中小学学生为对象,从家庭生活方面提出了一百多个青少年可能遇到的问题,并帮助他们学会解决这些问题。
  • 金银岛(名师1+1导读方案)

    金银岛(名师1+1导读方案)

    语文新课标必读丛书名师1+1导读方案:金银岛是一部世界公认的具有浓厚冒险精神的小说,作者围绕一份神秘的藏宝图,记叙一场惊心动魄的夺宝战……少年吉姆对人友好,善恶分明,夺宝的斗争激发了他的机制和勇敢。无论是对海盗的贪婪还是对同行的友善,都是18世纪英国人民热衷于冒险生活的真是写照。
  • 语文新课标必读-欧·亨利短篇小说精选

    语文新课标必读-欧·亨利短篇小说精选

    欧·亨利,原名威廉·西德尼·波特(WilliamSydneyPorter),1862年出生于美国北卡罗来纳州格林斯波罗镇一个医师家庭中。他是美国最著名的短篇小说家之一,曾被评论界誉为“曼哈顿桂冠散文作家”和“美国现代短篇小说之父”。
热门推荐
  • 感情风云录

    感情风云录

    一场感情引发的情感生活,因为亲生子而起的风波,许多人牵连其中,许多人快乐后又痛苦,许多人付出了生命来完结一场放不下的爱情……
  • 天行

    天行

    号称“北辰骑神”的天才玩家以自创的“牧马冲锋流”战术击败了国服第一弓手北冥雪,被誉为天纵战榜第一骑士的他,却受到小人排挤,最终离开了效力已久的银狐俱乐部。是沉沦,还是再次崛起?恰逢其时,月恒集团第四款游戏“天行”正式上线,虚拟世界再起风云!
  • 重生后我成了温爷的小心肝

    重生后我成了温爷的小心肝

    云晚柒早已死在那场大火中,却不知为何,她又回到了十七岁那年。重来一世的云晚柒一心只想复仇,然后安稳到老过完一生。却不想故事的发展偏离了轨道,突然多出了一个人。云晚柒本以为他们之间不会有任何瓜葛,直到云晚柒发现了自己重生的秘密。前尘往事一步步揭开,云晚柒该何去何从?“晚晚,你怎么忍心将我抛弃?”初见时,他便厚颜无耻的将她拖下水。“难道我认识你?”云晚柒眉心一跳。“我等了你很多年,我们又何止是认识?”云晚柒嘴角忍不住抽了抽。一定是她出门忘记看黄历,才会遇到了一个神经病。
  • 天行

    天行

    号称“北辰骑神”的天才玩家以自创的“牧马冲锋流”战术击败了国服第一弓手北冥雪,被誉为天纵战榜第一骑士的他,却受到小人排挤,最终离开了效力已久的银狐俱乐部。是沉沦,还是再次崛起?恰逢其时,月恒集团第四款游戏“天行”正式上线,虚拟世界再起风云!
  • 缺席者(独家首发)

    缺席者(独家首发)

    至亲好友离奇失踪,疑似被害,为寻真相她不顾阻拦潜入虎穴,撞破金融大案内幕,也意外收获甜蜜恋情;空降要职,她被动陷入地产迷局,再难全身而退,又遇旧爱情意绵绵居心叵测。她只好韬光养晦,伺机而动。悬案的蛛丝马迹指向一个又一个故交,尘封往事与眼前僵局盘根相错。她不得不与仇人为友,与爱人为敌,在责任与情感间挣扎。而缺席者,带走了翻转胜负的秘密。
  • 清风酒楼

    清风酒楼

    皇城脚下一个小小的酒楼,卖着古怪的酒,可以让人感觉到世间百态,而我,是这家酒楼的主人,我叫明!
  • 传世藏书-二刻拍案惊奇(上)

    传世藏书-二刻拍案惊奇(上)

    是我国古典小说史上最早由文人独立创作的一部话本小说集,正如现代的短篇小说集。其特点是容量小,篇幅短。尽管如此,短篇小说仍然可以通过富有典型意义的生活片断,或主要人物某一阶段的经历、遭遇,塑造出鲜明生动的典型人物来,形象地提出和回答现实生活中某一重大问题。
  • 逍遥名医

    逍遥名医

    (不是女频,是男频书……)一个饱受工作折磨的医道高手,睁眼醒来却成为云府府上无赖房客。前朝秘闻,神秘单方,关我屁事,江湖风波,不老丹药,额……能给我尝尝么。神秘的事情,接踵而至,本想安稳度日的李素,就这样,一步步的重回名医之路。(ps:本书慢热,观看需谨慎)
  • 王落辰

    王落辰

    一代创世神陨落转世,跨越轮回寻觅那段旷世情缘。所谓的大道终极,敌不过她回眸一笑。天要我成仙,我欲先疯癫。
  • SO酷:我的男神来自2079

    SO酷:我的男神来自2079

    男神说:对不起,是我上一次来到你的世界时,一个错误的举动打破了你原有的人生。男神说:你表姐会有生命危险,后天的游艇庆功会,你不要让她去。男神说:你的缘分马上就到了,两天以后你会被安排一个婚约,那是你该嫁的人。男神说:不要爱上我,我完成任务以后就会离开你,要在等39年以后你才会再看见到我。男神说:你肚子里的孩子是未来一个很了不起的人物,你要好好保护他。女子说:求你把我对你所有的记忆都消失吧!如果没有你在身边,我的人生该有多孤独!