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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

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