激光的用途 (l)激光通讯 利用光来传递信息在今天是非常普遍的。例如，船只用灯笼交流，交通信号灯用红、黄、绿三色进行调度。但是所有这些使用普通光传输信息的方式都局限于短距离。如果你想通过光直接将信息发送到遥远的地方，你只能使用激光而不是普通的光。 那么激光是怎么发射的呢？我们知道电可以通过铜线传输，但是光不能通过普通的金属线传输。为了做到这一点，科学家们开发了一种可以传输光的灯丝，称为光纤，或简称纤维。光纤由特殊的玻璃材料制成，直径比人的头发丝还细，通常为50到150微米，非常柔软。 实际上，光纤的内芯是高折射率的透明光学玻璃，而外层是由低折射率的玻璃或塑料制成。一方面，这样的结构可以使光沿着内核移动，就像水在水管中向前移动或电在电线中向前移动一样。另一方面，低折射率涂层可以防止光泄漏，就像水管不渗漏或电线的绝缘不导电一样。 光纤的发明解决了光的传输问题，但这并不意味着它可以将任何光传输到非常非常远的距离。只有高亮度、纯色、方向性好的激光，才是最理想的信息传输源，它从光纤的一端输入，几乎没有损耗而从另一端输出。因此，光通信本质上是激光通信，具有容量大、质量高、材料来源广、保密性强、耐用等优点。它被科学家誉为通信领域的一次革命，是技术革命中最辉煌的成就之一。 激光通信在哪里先进？激光通信的第一个优点是容量大。它有多大？当我们通常打电话时，有时会有不相关的声音进来。这种争吵是由一条电话线只能通过一条线路引起的。如果一条电话线上有另一条线路，正常的谈话就会中断。如果你有10个人同时在同一条电话线上通话，那么你有20个人同时在通话，你根本不能说话。为了解决这一问题，有必要采用载波等方法，使每台电话机在每一个频带。由于普通电话的频率范围为300 ~ 400hz，一对电话线上的最高频率仅为1500khz，因此在一对电话线上同时只能打十几个电话。显然，这样的通信容量远远不能满足当今信息社会的要求。 如果我们把普通电话传输的信息量比作一辆手推车，那么激光通信就是一辆汽车。由于激光频率比无线电波高得多，激光通信的信息量是电通信的10亿倍。一根比头发还细的光纤可以传输数万个电话或数千个电视节目。这条有20根光纤的电缆只有铅笔那么粗，每天可以处理76200个电话。相比之下，直径7.6厘米的1800根铜线每天只能打900个电话。 特别令人惊讶的是，光纤通信特别适合电视、图像和数字传输。据悉，一对光纤可以在一分钟内传输一整套0755-79,000。 此外，用于制造光纤的材料是——石英，一种遍布地球的沙子。只需要几克石英就可以制造出一公里长的光纤。这样，不仅原料取之不尽，而且可以大大节省铜和铝。正因为如此，世界发达国家都在竞相研究激光通信。因此激光通信已成为竞争中发展的宠儿。 在通信技术史上，光纤通信技术的发展是前所未有的。考虑到通信技术史上的几个里程碑，电话的发明和应用大约花了60年的时间，今天电话通信仍然广泛而丰富。无线电技术，如电报，从发明到应用也花了大约30年。电视技术虽然发展迅速，但仍然只有大约14年的历史。激光通信，从第一根低损耗光纤的诞生到应用，一共只有5年的时间。现在激光通信不仅应用广泛，而且形成了一个巨大的光纤市场。 1977年5月，美国有一家名为电报电话公司的大公司。它在芝加哥的两个电话局之间铺设了世界上第一条短距离光纤通信线路。此后，它在美国近100个地方建造了总长度达数百公里的短距离激光通信线路。这意味着激光通信已经开始取代普通的短距离电通信。到1983年，纽约和波士顿之间600公里的光纤通信已经投入使用。 紧随美国之后的是日本。1984年，日本建成了从北海道札幌到九州福冈的长距离光纤通信线路，全长2800公里，连接了30多个城市。1993年12月，中国和日本之间铺设了一条穿越东海的光纤电缆。在日本和美国之间，一条长达1万公里的海底电缆也正在设计中。 由于光纤通信的蓬勃发展，美国、日本、英国、法国等工业发达国家纷纷成立了光纤、光缆生产企业。世界三大著名光纤光缆公司——西电气公司、康宁公司和日本住友公司，光纤年产量均在12万公里以上。 一般来说，工业发达的国家已经建立了全国性的光纤通信网，以完全取代目前的铜线和电缆，这是一项巨大的技术工作，预计到2000年将完成。在那之前，激光通信将给我们的星球带来巨大的变化。例如，光纤网络可以用来处理文件或在家参加会议，而不需要离开家；或者你可以把家里的光纤网络连接到购物中心，就像在超市里一样，你可以坐在家里买你想买的东西，然后用电子金融购物系统付款。医疗中心还可以从屏幕上查看患者的病情和化验报告，并据此开出处方，从而真正做到“秀才不出门，知天下”、“谋士在帐内，决胜千里”。 激光和光纤也可以传输图像。首先，将一根直径比人类头发还小的光纤组装成一束。在传输信息的过程中，通常使用两种类型的光纤束：一种称为光束，另一种称为图像光束。光束传输的任务是将光从一端传递到另一端。光束传输结构比较简单，它是由若干单膜粘合在一起，然后对端面进行抛光和研磨，以减少光进入光纤的反射和散射损失，然后用塑料护套覆盖光束。 由于一根光纤只能传输一个光斑，所以整个图像必须通过一根一根的光纤排列来传输。 在像束中，所有的光纤排列整齐，两端的位置严格对应，没有任何混乱，就像一双整齐的筷子。例如，光纤的一端在像光束的第八行第八列，另一端也在像光束的第八或第八列。 在传输图像时，首先将图像分割成网格形状，即通过无数根光纤将图像分解成无数个像素，然后传输出去。一根光纤负责传输单个像素，无限多根光纤可以将整个图像传输到另一端。如果要使图像传输清晰，就必须尽可能选择直径更细的光纤，因为光纤越细，在给定的光束中可以容纳的光就越多，从而可以传输的像素就越多。显然，像素越多，图像就越清晰。 目前使用的成像光束由数万根光纤组成，要把它们整齐地排列起来并不容易。排列好后，用一种叫做环氧树脂的有机粘合剂将两端粘合在一起，使纤维粘合固定，保证纤维的两端一根接一根。两端也要打磨打磨。至于中间部分，它不需要粘牢，而是像二胡的琴弦一样松散。通过在外部添加保护性塑料套，梁变得柔软而灵活。 除了传输图像外，光束还可以传输一般的符号或数字，以及放大或缩小图像。 0 此外，还可以使用光纤来改变图像。如果根据需要故意打乱光纤的排列，则可以使出线端的象元落在主观构思点上而不是原来的对应点上，从而使象元发生变化。若将所述像元的进口端光纤做成方形，将所述出口端光纤做成环形，则可将所述方形像元改为环形像素。 总之，光纤图像光束具有巨大的发展潜力，在未来的光信息处理技术中将日益显示出其独特的作用。 (2)材料加工 钻孔、切削、焊接和淬火是加工金属材料时最常用的操作。自从激光问世以来，加工的强度、质量和范围都开创了一个崭新的局面。除了金属材料，激光还可以加工许多非金属材料。 激光打孔机在激光打孔机问世之前，各种机械零件的打孔都是通过电打孔机或冲床进行的。但机械钻孔不仅效率低下，而且钻孔表面不够干净。 激光打孔的原理是利用激光束聚集使金属表面焦点温度迅速上升，温升可达每秒100万度。在热量逸出之前，光束会将金属燃烧到蒸发，在金属上留下孔洞。激光打孔不受被加工材料的硬度和脆性的限制，而且打孔速度极快，快到千分之几秒，甚至百万分之几秒就能钻出一个小洞。 例如，如果你需要在金属板上钻数百个小洞，即使是人眼也很难用电动钻孔机检测到它们，但用激光钻孔机可以在一到两秒钟内完成。如果你用放大镜仔细检查这些毛孔，你会发现毛孔的表面非常整齐和光滑。 激光打孔也可用于加工手表钻石。每秒可钻20 ~ 30个孔，比机械加工效率高几百倍，质量高。同时，激光打孔，就像我们下面要讨论的激光切割一样，是一种非接触的过程，也就是说，不像机械加工，它依靠钢钻头逐渐钻穿金属。因此，激光操作可用于自动化连续加工，也可用于具有超洁净、真空的特殊环境。 激光切割机知道了激光打孔的原理，就很容易理解为什么激光可以切割金属材料了：只要移动工件或移动激光束，使所钻的孔与线相连，材料自然就可以切割下来了。而且，无论是哪一种材料，如钢板、钛板、陶瓷、石英、橡胶、塑料、皮革、化纤、木材等，激光都像一把刀柄切割铁如泥、木如灰的光剑，而且切割刃口非常干净。 激光焊接机激光因其功率密度高而可用于焊接。所谓高功率密度，是指每平方厘米面积上能量非常高的集中。激光的功率密度有多高？相比之下，工厂中常用的焊接用乙炔火焰，可以将两块钢板焊接在一起，其功率密度为每平方厘米1000瓦；氩弧焊设备的功率密度更高，每平方厘米可达1万瓦。但这两种焊接火焰无法与激光相比，激光的功率密度要高出数千万倍。这种高功率密度不仅可以用于焊接普通金属材料，还可以用于焊接硬脆陶瓷。 传统的淬火方法非常简单，先把刀片烧红，然后突然浸入冷水中，经过这种冷热处理后，刀片的硬度大大提高。但是，这种淬火显然不是很方便，效果也不一定理想。 激光淬火是用激光对刀具的零件或需要淬火的零件进行扫描，使扫描区域的温度升高，而未扫描的零件仍保持常温。由于金属迅速散热，激光束一扫，钻头的温度就会急剧下降。它冷却得越快，就越硬。如果在扫描区域快速喷淋冷却液，可获得远高于普通淬火的硬度。 (3)激光照排 照相排字实际上引入了光学照相的原理。活字排版时，要根据稿件检查出不同大小字体的各种类型和符号。另一方面，照相排版要简单得多。它使用排字机上的透镜来改变单词的大小和形状。至于如何使用镜头来改变人物的大小和形状，这实际上相当于我们在看“游乐园的镜子”。 在照相排字时，只需要把光源通过镜头把所需要的文字和符号、图像放在感光相纸上，然后经过显影和定影形成照相版即可。然后，把它像照片一样打印出来。 照相排版可以使用两种光源，刚才介绍的是普通光源，相比之下，激光排版省时省力。由于激光亮度高，颜色淡，可以大大提高图像的清晰度，印刷出来的图书质量自然高。它是如何工作的？全息图是用计算机把文字转换成点，然后用点控制激光扫描照相底片制成的。 全息图和立体图是两种不同的东西。尽管一张立体照片看起来色彩丰富、层次感强、立体感强，但它仍然是一张单面图像，任何好的立体照片都无法取代实物。例如，一个正方形木块的立体图像，无论我们如何改变视角，都只能看到画面，但是一个全息图，我们只是改变视角，就可以看到正方形的六个面。因为全息技术可以将物体的所有几何特征记录在底片上，这也是全息技术最重要的特点之一。 全息图的第二个重要特征是它们可以在一个地方被看到。当全息图被损坏时，即使它被严重损坏，我们仍然可以从全息图中留下的较小的一半看到原始物体的全貌。这对于普通照片来说是不成立的。即使丢了一个角，那个角上的画也丢了。 全息图的第三个特点是，多个全息图可以在单个全息底片上分层记录，而在显示图像时不会相互干扰。正是这种分层记录使得全息图能够存储大量的信息。激光全息图的底片可以是特殊的玻璃、乳胶、水晶或热塑性塑料。一小块特殊的玻璃就能储存一个大图书馆里的几百万册藏书。全息图的应用越来越广泛。 全息图可以记录有价值的历史文物，在严重损坏的情况下，即使什么都没有留下，我们仍然可以用全息图来重建。例如，北京圆明园这样的景点，被八国联军烧毁，现在正在重建，因为在不了解其原貌的情况下，很难完全恢复。如果全息图早在100年前被发明出来，事情就会容易得多。 全息图也可用于工业无损检测。什么是无损检测？也就是说，使用激光全息技术不仅可以检测到产品的不小的故障，而且根本不会损坏产品。 更有趣的是，全息图目前被用于全息电影和电视，很快观众就会看到真实生活的图像。也就是说，激光“击中”底片上的感光颜料，留下无数相应的点，这些点被显影和固定，然后再转换回文字或图像。在这里，激光束相当于电子束，而照相底片相当于电视屏幕。接下来，含有文字和图像的底片可以用来印刷书籍、报纸和杂志。彩色电视机显示红、绿、蓝是因为屏幕上涂有三色荧光粉，当受到电子撞击时，会出现三种颜色。激光照排也可以利用类似的原理打印出漂亮的彩色图片。 (4)激光在医学上的应用 激光在医疗器械领域的应用取得了很多成果，它可以起到钻头、手术刀、焊枪等的作用。 在眼科中，焊枪和电钻、激光主要用于治疗视网膜脱离。视网膜脱离是一种棘手的情况，视网膜从眼睛的内壁脱离，妨碍视力。在激光出现之前，病人可能会失明。 现在，医生可以将激光对准病人的眼睛后部，使其发出一束光，使视网膜和眼睛内膜一起加热。整个过程只需要几分钟，激光束就像焊枪一样，将患者的视网膜焊接到位。 除焊接外，激光炬还可用于切割。 白内障是老年人的常见病。患者眼球前方的凸透镜——由原来透明的弹弹体逐渐浑浊无弹性，光线无法通过晶状体落在眼底视网膜上，患者逐渐看不见东西。白内障的传统治疗方法是在眼睛前方切开一条缝，然后将一根细金属针穿过这个缝。金属针太冷了，它把浑浊的晶状体冻结在针上，然后把它一起从小开口取出来，这显然是一个很麻烦的手术。 若采用医用激光治疗，不仅方便，而且效果好。只要将激光束对准眼内晶状体表面e5a48de588b67a686964616f31333330336332面前后发射，就能迅速切断晶状体表面上的混沌膜。 在牙科领域，激光可以取代牙钻。根据世界卫生组织的数据，儿童龋齿的发病率相当高，约为75%。通过激光治疗，患者几乎没有任何不适，只要没有炎症，一次治疗就能解决问题。牙科激光，激光的小兄弟，只有3瓦的微小功率，相当于一个节能灯泡，几乎不产生热量。它的发射端实际上是一根和人类头发一样细的光纤。 治疗时，只需将光纤发射端靠近龋齿病灶，发射出激光束，将龋齿组织分解，然后用水冲洗掉即可。如果只是浅层牙釉质受损，激光会堵塞受损区域的微小毛孔，防止乳酸侵蚀牙本质。如果已经出现蛀牙，用激光束打孔清洗后，可以将人工牙釉质材料填充到蛀牙内，再用激光加热关节，使人工牙釉质材料与牙釉质融为一体。激光治疗牙齿不仅无痛、快速，而且治疗效果好。 如果要用激光刀对膀胱、心、肝、胃、肠等重要内脏器官进行手术，是非常困难的。激光是如何进入人的内脏的？这时医生的宝贝就来了：激光纤维内窥镜。 内窥镜是医生插入体内直接观察器官的光学装置。但典型的内窥镜又大又粗糙，只能从病人的嘴里沿着食道进入胃内观察。胃的插入很痛，病人很痛。激光光纤内窥镜是完全不同的。由光纤制成的内窥镜柔软、薄而有弹性，当插入病人的胃时，无痛。除了胃，光纤内窥镜还可以进入其他重要器官。一方面，激光光纤内窥镜可以用来检查患者的器官是否有病变。更重要的是，激光能量可以输入内部器官，照射病变组织，将其切除，起到手术刀的作用。另外，用激光刀切割，伤口可以自动止血，不需要结扎出血点，大大缩短手术时间，伤口也不会发炎。如果用激光刀切除恶性肿瘤，可以防止癌症扩散。 0 在海湾战争中，以美国为首的多国部队对伊拉克发动了大规模空袭，摧毁了伊拉克境内许多重要的军事目标。最后，战争以伊拉克的失败而告终。有人说，海湾战争是一场先进武器的较量，这是有道理的。 0 其实这种激光制导导弹，早在上世纪70年代，美国就在越南战场上使用过。现在不仅有空对地导弹，还有地对地、空对空、地对空等各种激光导弹。 今天，可以将无线电搜索雷达和激光雷达结合起来形成作战系统。例如，当无线电雷达探测到空中的目标(敌机或导弹)时，它可以准确地测量其高度、方位和速度。一旦目标进入一定范围内，激光雷达就会打开，发射一束非常细的激光，紧贴目标并精确测量其位置。然后，激光导弹在激光雷达提供的激光束的引导下，精确地击中目标并摧毁它。这种激光导弹可以很容易地部署在卡车上或改装成反坦克导弹。 目前发展的反坦克激光导弹可以从地面发射，也可以从直升机发射。导弹装有半导体激光器，起到自动跟踪目标的作用，使导弹能以100发命中坦克。 激光雷达虽然精度高、体积小、操作灵巧、便于转移，但也有缺点，即容易受到气象条件的限制，不适合大面积搜索目标。因此，一般与无线电雷达配合使用，优势互补。 激光枪和激光炮所谓的激光枪和激光炮都是激光战术武器。它们看起来像枪和大炮，但它们发射的不是子弹和炮弹，而是激光束，可以杀死或致盲敌方人员。这种枪的威力取决于它的威力和射击距离。目前，激光枪和激光炮的射程都不太远，所以死亡射线的威力是有限的。 但死亡之光武器的前景是不可估量的。一旦激光束的功率和有效距离增加，它就变成了真正的死光。例如，如果用激光枪射击1万米高空的飞机，激光束以每秒30万公里的速度行进，只需要3万分之一秒就能击中飞机。在那短暂的一瞬间，飞机只能在空中向前移动几厘米。这样，对于死光来说，现役飞机就成了事实上的目标，肯定会死。按照这个计算，即使导弹发射到几千公里以外，也只需要几十秒就会死亡，而在这一瞬间，导弹只能向前飞几十米。因此，死光有足够的时间摧毁外太空的导弹。 此外，激光可以不断地重新定向到每个目标并逐一摧毁，而且建造激光炮在经济上比洲际导弹便宜得多。

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