激光技術

激光英文全名為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)。 於1960年面世，是一種因刺激產生輻射而強化的光。其原理是以紅、綠、藍三基色激光為光源，通過調控三色激光強度比、總強度和強度時空分佈進行顯示 ^[2]  。

科學家在電管中以光或電流的能量來撞擊某些晶體或原子易受激發的物質，使其原子的電子達到受激發的高能量狀態，當這些電子要回復到平靜的低能量狀態時，原子就會射出光子，以放出多餘的能量；而接着，這些被放出的光子又會撞擊其它原子，激發更多的原子產生光子，引發一連串的「連鎖反應」，並且都朝同一個方前進，形成強烈而且集中朝向某個方向的光；因此強的激光甚至可用作切割鋼板！

激光的理論基礎起源於物理學家愛因斯坦。1917年愛因斯坦提出了一套全新的技術理論“光與物質相互作用”。這一理論是説在組成物質的原子中，有不同數量的粒子（電子）分佈在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發，會從高能級跳（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光，而且在某種狀態下，能出現一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫“受激輻射的光放大”，簡稱激光。

液體、氣體和固體都能產生激光。氣體有氬氣、二氧化碳，液體中的有機染料等。所謂固體激光，就是在固體內，比如在激光晶體、激光陶瓷、激光玻璃這些東西上產生的激光。固體激光不像氣體激光，它不流動、體積小、功能效率高。現在，固體激光的波長是可以改變的，即是可以調諧的。

現在我們正在進入人工智能時代，在這個時代，激光是一種必不可少的工具，或者説是手段。比如掃地機器人，如果裝上激光雷達，就能在避障和智能化方面擁有更好的表現，能夠在最短時間內高效率地完成整個房屋的清潔工作。 ^[2] 

激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大，特別適用於自動化加工。激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已成為企業實行適時生產的關鍵技術，為優質、高效和低成本的加工生產開闢了廣闊的前景。

熱加工和冷加工均可應用在金屬和非金屬材料，進行切割，打孔，刻槽，標記等.熱加工金屬材料進行焊接，表面處理，生產合金，切割均極有利.冷加工則對光化學沉積，激光快速成形技術，激光刻蝕，摻染和氧化都很合適。

用激光製造模型時用的材料是液態光敏樹脂， 它在吸收了紫外波段的激光能量後便發生凝固， 變化成固體材料。把要製造的模型編成程序， 輸入到計算機。激光器輸出來的激光束由計算機控制光路系統，使它在模型材料上掃描刻劃， 在激光束所到之處， 原先是液態的材料凝固起來。激光束在計算機的指揮下作完掃描刻劃， 將光敏聚合材料逐層固化，精確堆積成樣件，造出模型。所以， 用這個辦法制造模型， 速度快， 造出來的模型又精緻。該技術已在航空航天、電子、汽車等工業領域得到廣泛應用。

激光切割技術廣泛應用於金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。脈衝激光適用於金屬材料，連續激光適用於非金屬材料，後者是激光切割技術的重要應用領域。但激光在工業領域中的應用是有侷限和缺點的，比如用激光來切割食物和膠合板就不成功，食物被切開的同時也被灼燒了，而切割膠合板在經濟上還遠不合算。

隨着激光產業的飛速發展，相關的激光技術與激光產品也日趨成熟。在激光切割機領域。呈現出YAG固體激光切割機、CO2激光切割機雙足鼎力，光纖激光切割機後來居上的局勢。

YAG固體激光切割機具有價格低、穩定性好的特點，但能量效率低一般＜3%。產品的輸出功率大多在600W以下，由於輸出能量小，主要用於打孔和點焊及薄板的切割。它的綠色的激光束可在脈衝或連續波的情況下應用，具有波長短、聚光性好適於精密加工特別是在脈衝下進行孔加工最為有效，也可用於切削、焊接和光刻等。YAG固體激光切割機激光器的波長不易被非金屬吸收，故不能切割非金屬材料，且YAG固體激光切割機需要解決的是提高電源的穩定性和壽命，即要研製大容量、長壽命的光泵激勵光源，如採用半導體光泵可使能量效率大幅度地增長。

CO2激光切割機，可以穩定切割20mm以內的碳鋼，10mm以內的不鏽鋼，8mm以下的鋁合金。CO2激光器的波長為10.6um，比較容易被非金屬吸收，可以高質量地切割木材、亞克力、PP、有機玻璃等非金屬材料，但是CO2激光的光電轉化率只有10%左右。CO2激光切割機在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴，用以提高切割速度和切口的平整光潔。為了提高電源的穩定性和壽命，對於CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩定性。根據國際安全標準，激光危害等級分4級，CO2激光屬於危害最小的一級。

光纖激光切割機由於它可以通過光纖傳輸，柔性化程度空前提高，故障點少，維護方便，速度奇快，所以在切割4mm以內薄板時光纖切割機有着很大的優勢，；但是受固體激光波長的影響它在切割厚板時質量較差。光纖激光器激光切割機的波長為1.06um，不易被非金屬吸收，故不能切割非金屬材料。光纖激光的光電轉化率高達25%以上，在電費消耗、配套冷卻系統等方面光纖激光的優勢相當明顯。根據國際安全標準，激光危害等級分4級，光纖激光由於波長短對人體由於是眼睛的傷害大，屬於危害最大的一級，出於安全考慮，光纖激光加工需要全封閉的環境。光纖激光切割機作為一種新興的激光技術，普及程度遠遠不如CO2激光切割機。 ^[1] 

激光束照射在材料上， 會把它加熱至融熔， 使對接在一起的組件接合在一起， 即是焊接。激光焊接，用比切割金屬時功率較小的激光束，使材料熔化而不使其氣化，在冷卻後成為一塊連續的固體結構。激光焊接技術具有溶池淨化效應，能純淨焊縫金屬，適用於相同和不同金屬材料間的焊接。由於激光能量密度高，對高熔點、高反射率、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。因為用激光焊接是不需要任何焊料的，所以排除了焊接組件受污染的可能; 其次， 激光束可被光學系統聚成直徑很細的光束， 換言之， 激光可以作成非常精細的 焊槍， 做精密焊接工作;還有激光焊接與組件不會直接接觸， 亦即這是非接觸式的焊接， 因而材料質地脆弱也不打緊， 還可以對遠離我們身邊的組件作焊接， 也可以把放置在真空室內的組件焊接起來。因為激光焊接有這些特點， 所以它在微電子工業中尤其受歡迎。

用激光雕刻刀作雕刻， 比用普通雕刻刀更方便， 更迅速。用普通雕刻刀在堅硬的材料上， 比如在花岡巖、鋼板上作雕刻， 或者是在一些比較柔軟的材料， 比如皮革上作雕刻， 就比較吃力， 刻一幅圖案要花比較長的時間。如果使用激光雕刻則不同， 因為它是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料氣化或發生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種雕刻方法。它根本就沒有和材料接觸， 材料硬或者柔軟， 並不妨礙 雕刻 的速度。所以激光雕刻技術是激光加工最大的應用領域之一。 用這種雕刻刀作雕刻不管在堅硬的材料， 或者是在柔軟的材料上雕刻， 刻劃的速度一樣。倘若與計算機相配合， 控制激光束移動， 雕刻工作還可以自動化。把要雕刻的圖案放在光電掃描儀上， 掃描儀輸出的訊號經過計算機處理後， 用來控制激光束的動作， 就可以自動地在木板上， 玻璃上， 皮革上按照我們的圖樣雕刻出來。同時， 聚焦起來的激光束很細， 相當於非常靈巧的雕刻刀， 雕刻的線條細， 圖案上的細節也能夠給雕刻出來。激光雕刻可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級，這對產品的防偽有特殊的意義。激光雕刻巳發展至可實現亞微米雕刻，已廣泛用於微電子工業和生物工程。

在組件上開個小孔是件很常見的事。但是， 如果要求在堅硬的材料上， 例如在硬質合金上打大量0.1毫米到幾微米直徑的小孔。用普通的機械加工工具恐怕是不容易辦到， 即使能夠做到， 加工成本也會很高。 激光有很好的同調性， 用光學系統可以把它聚焦成直徑很微少的光點(小於一微米)， 這相當於用來鉆孔的 微型鉆頭。其次， 激光的亮度很高， 在聚焦的焦點上的激光能量密度(平均每平方米麪積上的能量)會很高， 普通一台激光器輸出的激光， 產生的能量就可以高達109 焦耳/釐米2， 足以讓材料熔化並氣化， 在材料上留下一個小孔， 就像是鉆頭鉆出來的。但是，激光鉆出的孔是圓錐形的，而不是機械鉆孔的圓柱形，這在有些地方是很不方便的。

激光蝕刻技術比傳統的化學蝕刻技術工藝簡單、可大幅度降低生產成本，可加工0.125～1微米寬的線，非常適合於超大規模集成電路的製造。

激光能產生高能量﹑聚焦精確的單色光﹐具有一定的穿透力﹐作用於人體組織時能在局部產生高熱量。激光手術就是利用激光的這一特點﹐去除或破壞目標組織﹐達到治療的目的。主要包括激光切割和激光換膚。

激光武器有它的獨特性，令它被廣泛應用於防空，反坦克，轟炸機自衞等軍事用途.激光之所以能成為威力強大的武器，是因為它有三個層次的破壞能力:

1.燒蝕效應 跟激光熱加工原理一樣，當高能激光束射到目標時，激光的能量會被目標的材料吸收，轉化為熱能.這些熱能足以令目標部分或完全穿孔，斷裂，熔化，蒸發，甚至產生爆炸.

2.激波效應 如目標材料被氣化，目標材料會在極短時間內產生反衝作用，形成壓縮波使材料表面層裂碎開，碎片向外飛時造成進一步破壞.

3.輻射效應 目標材料氣化的同時會形成等離子體雲，能產生輻射紫外線及X光線，使目標內部的電子零件被破壞。

激光還可應用於核能發電上。世界上建成的核發電站使用的核燃料是鈾， 使用氚核燃料的研究尚未成功。從研究所得， 氚核燃料比鈾核燃料更加 耐燒， 1公斤氚核燃料燃燒產生的能量比鈾核燃料高3倍多。更有吸引力的是氚核燃料在地球上的貯量大。1公斤海水中含有0.03克氚， 地球上的海洋中就裝有1021 公斤海水;或者説， 地球的海洋中就貯藏有1017 公斤氚， 把它開發出來做燃料， 就相當於給我們提供了10萬億億(1017) 噸煤， 足夠人類用上幾億年， 既然氚核燃料這麼好.為甚麼還不用? 問題就在於把它點火燃燒不是一件容易做到的事。劃一根火柴燃燒的温度就可以把紙片， 汽油點著火， 要讓這種核燃料著火， 則需要億度的高温。激光是較有可能達到這個點火温度的技術。

超過三分之二的紡織服裝面料可利用激光來製作各種數碼圖案。傳統的紡織面料製作工藝需要後期的磨花、燙花、壓花等加工處理，而激光燒花在此方面具有製作 方便、快捷、圖案變換靈活、圖像清晰、立體感強、能夠充分表現各種面料的本色質感，以及歷久常新等優勢。如果結合鏤空工藝更是畫龍點睛，相得益彰。

服裝面料及成衣激光繡花適合：紡織面料後整理加工廠、面料深加工廠、成衣服裝廠、面輔料及來料加工企業。

牛仔影像噴花

通過數控的激光照射，汽化牛仔布料表面的染料，從而在各種牛仔面料上製作出不會退色的影像圖案、漸變花形、貓須磨砂等效果，為牛仔時尚又增添了新的靚點。

牛仔噴花激光加工是一項新興的、有豐厚加工利潤和市場空間的加工項目，極適合牛仔服裝廠、水洗廠、加工型等企業和個人進行牛仔系列產品的增值深加工。

激光技術在製鞋及皮革行業中的應用也非常廣泛。激光的優勢在於可以在各種皮革面料上快速雕刻和鏤空出各式圖案，而且操作方面靈活，同時不會使皮革表面 產生任何形變，以體現出皮革本身的顏色與質感。它更具有雕刻精度高、鏤空無毛邊、任意選形等多種優勢，適合鞋面、鞋材、皮具、手袋、箱包、皮服等加工生產 廠家的需要。

激光雕刻是指將激光設備連接激光雕刻軟件，圖稿輸入自動雕刻的作業方式。激光雕刻是激光加工領域技術最成熟，應用最廣泛的技術。利用這種技術，任 何複雜圖形都能雕刻。可以進行鏤空雕刻和不穿透的盲槽雕刻，從而雕刻出深淺不一、質感不同、具有層次感和過渡顏色效果的各種神奇圖案。憑藉這些優勢，激光 雕刻迎合了國際服裝加工的新潮流。

貼布繡切割

電腦繡花工藝中，有兩個步驟很重要，即貼布繡前的切割和繡花後下料的切割。在傳統的加工工藝中，繡前切割採用的刀模加工方式的缺陷在於，容易產生織物須 邊，且加工精度受刀模限制，異性圖形難以加工，刀模的製作週期常，成本高，因此制約了貼布繡花的發展。而繡後下料切割，大多采用的是熱切加工方式，該方式 又有切邊縫隙大、邊緣發黃發硬、難以對位等缺點。異性圖形依靠人工手剪，更是容易散邊，產生廢品，所以急需有一種先進的加工方式來取代這兩種舊的加工方 式。

激光加工雖然也屬於熱加工方式，但由於激光高度的聚焦性，照射光斑纖細，熱擴散區小，因此極適合對紡織纖維面料的切割。具體表現在加工面料範圍廣泛、切 口平滑無飛邊、自動收口、無變形、圖形可通過計算機隨意設計和輸出、無需刀模等等。這使得激光加工成為業內公認的替代方式。

商標激光打標

激光打標具有打標精度高，速度快，打標清晰，可在硬、軟、脆產品的平面、弧面和飛行物上打印各種文字、符號、圖案的特點。激光打標兼容了激光切割、雕刻的 各種優點，可在金屬及有機聚合物薄片上精密加工，加工尺寸小的複雜圖案。打印標記具有永不磨損的防偽性能，可專門製作布標、皮標、金屬標、打印圖案複雜精 細的各種司徽和LOGO，是品牌服裝服飾物加工的最佳選擇。

長期以來，商標的切邊、刺繡圖案的切邊以及刺繡圖案中的打孔拼花都存在一個對位問題。精確而高效的切割，是業界共同的期待。現有的自動視覺追蹤切割系統 在傳統的人工對位切割的基礎上前進了一大步，能夠分局對位點來自動定位切割。但對於紡織產品的隨機變形不能自動糾正，因此會產生大量的廢品。行業內已 有企業成功開發出自動識別尋邊切割系統，能夠依據所織商標圖形的邊緣，自動生成切割路徑，並準確地利用激光沿邊切割。還能夠自動定位，對刺繡圖形中的圖案 進行切割打孔，從而根本解決了對位問題。

激光顯示技術雖然早在20世紀60年代就被提出，但直到21世紀初才在中國率先實現了原理可行。激光顯示技術解決的是圖像高保真再現問題 ^[2]  。

激光具有單色性好、方向性強、亮度高等特點。現已發現的激光工作物質有幾千種，波長範圍從軟X射線到遠紅外。 激光技術的核心是激光器，激光器的種類很多，可按工作物質、激勵方式、運轉方式、工作波長等不同方法分類。根據不同的使用要求，採取一些專門的技術提高輸出激光的光束質量和單項技術指標，比較廣泛應用的單元技術有共振腔設計與選模、倍頻、調諧、Q開關、鎖模、穩頻和放大技術等。

為了滿足軍事應用的需要，主要發展了以下5項激光技術：①激光測距技術。它是在軍事上最先得到實際應用的激光技術。20世紀60年代末，激光測距儀開始裝備部隊,現已研製生產出多種類型,大都採用釔鋁石榴石激光器，測距精度為±5米左右。由於它能迅速準確地測出目標距離，廣泛用於偵察測量和武器火控系統。②激光制導技術。激光制導武器精度高、結構比較簡單、不易受電磁干擾，在精確制導武器中佔有重要地位。70年代初，美國研製的激光制導航空炸彈在越南戰場首次使用。80年代以來，激光制導導彈和激光制導炮彈的生產和裝備數量也日漸增多。③激光通信技術。激光通信容量大、保密性好、抗電磁干擾能力強。光纖通信已成為通信系統的發展重點。機載、星載的激光通信系統和對潛艇的激光通信系統也在研究發展中。④強激光技術。用高功率激光器製成的戰術激光武器，可使人眼致盲和使光電探測器失效。利用高能激光束可能摧毀飛機、導彈、衞星等軍事目標。用於致盲、防空等的戰術激光武器，已接近實用階段。用於反衞星、反洲際彈道導彈的戰略激光武器，尚處於探索階段。⑤激光模擬訓練技術。用激光模擬器材進行軍事訓練和作戰演習，不消耗彈藥，訓練安全，效果逼真。現已研製生產了多種激光模擬訓練系統，在各種武器的射擊訓練和作戰演習中廣泛應用。此外，激光核聚變研究取得了重要進展，激光分離同位素進入試生產階段，激光引信、激光陀螺已得到實際應用。

激光被廣泛應用是因為它的特性。激光幾乎是一種單色光波，頻率範圍極窄，又可在一個狹小的方向內集中高能量，因此利用聚焦後的激光束可以對各種材料進行打孔。以紅寶石激光器為例，它輸出脈衝的總能量不夠煮熟一個雞蛋，但卻能在3毫米的鋼板上鉆出一個小孔。激光擁有上述特性，並不是因為它有與別的光不同的光能，而是它的功率密度十分高，這就是激光被廣泛應用的原因。

激光譜寬窄、方向性好、功率高，能夠精準控制在人眼最佳視覺感知區，易實現8K高分辨高對比度，這些特點是其他所有顯示光源無法同時具備的；激光顯示還有一個優勢就是觀看舒適度高、護眼，因為它是漫反射成像、全像素髮光、無短波藍光。根據中國電子技術標準化研究院的報告，激光顯示技術具有良好的舒適度，低視覺疲勞，並且沒有短波藍光的傷害 ^[2]  。

激光有以下三大特性：

· 單色波長

· 同調性

· 平行光束

激光是20世紀以來繼核能、電腦、半導體之後人類的又一重大發明，被稱為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”。激光的理論基礎早在1917年就被猶太裔物理學家阿爾伯特·愛因斯坦提出，1953年美國物理學家查爾斯·哈德·湯斯實現微波激射，但直到1960年美國物理學家西奧多·哈羅德·梅曼才成功製造出第一台激光器，促進了激光技術的發展。進入21世紀後，激光技術邁入到快速發展階段，促進了多學科的深度融合和多場景條件下的應用。

人類社會正在進入智能時代，激光技術是一種必不可少的工具，它可以實現材料加工、物態轉變、尺度測量等。因此，激光技術是一門集機械工程、光學工程、儀器科學與技術、材料科學與工程等多學科相融合的綜合技術。

世界各國不斷增大對激光技術的研究投入，相繼出現了諸多知名科研機構與企業，如德國弗勞恩霍夫激光技術研究所、美國集成光子製造創新中心、武漢光電國家研究中心、大族激光等。激光技術得到了充分發展，並應用到高端裝備生產製造中，包括加工、焊接、熔覆、檢測等，應用場景覆蓋了航空航天、能源動力、汽車、天文觀測等領域，其典型應用包括航空發動機機匣精密加工、核主泵屏蔽套精密焊接、汽車發動機氣門座環形表面熔覆、地月距離精準測量等。與傳統工藝相比，激光技術在梯度材料成形、精密加工、精準測量等方面具有明顯優勢，產品應用範圍正飛速拓展。

目前，中國激光技術研究和應用領域總體處於國際先進水平，中國是世界上能夠製造實用化深紫外全固態激光的國家，也是具備激光精準測量地月距離技術能力的五個國家之一。“十四五”期間國家重點研發計劃也啓動了“增材製造與激光製造”重點專項，以推動中國激光技術的不斷髮展，助力實施製造強國戰略 ^[3]  。