軍事上的應(yīng)用

激光技術(shù)在軍事上應(yīng)用中，在這近幾年里，CO2激光器在這方面得到了穩(wěn)步的發(fā)展。

激光武器作為一種新概念武器,與傳統(tǒng)常規(guī)武器相比,以其速度快,方向性好,能量密度高,作戰(zhàn)耗費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn),成為新世紀(jì)武器中的新寵.高能激光武器在軍事應(yīng)用的方面扮演著越來越重要的角色,代表著未來武器的發(fā)展方向,將徹底改變目前的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和作戰(zhàn)方式,使未來戰(zhàn)爭(zhēng)的形態(tài)發(fā)生了深刻變革.高能氣動(dòng)CO2激光器輸出功率大,曾被各國(guó)設(shè)計(jì)用于研制高能激光武器。

激光導(dǎo)彈防御或稱激光反導(dǎo)的基本特征是：用由光速的高能激光去摧毀聲速運(yùn)行的導(dǎo)彈或其它飛行固體。我們可以說這方面是CO2激光器的天下，因?yàn)樗幸恍┩怀龅膬?yōu)點(diǎn)。目前在陸軍中

采用的陸基小型激光反導(dǎo)系統(tǒng)、空軍采用的機(jī)載激光反未來的CO2激光武器主要的特點(diǎn)是超高功率和高便攜性。高能激光器是未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的重要組成部分，將在反監(jiān)視、主動(dòng)保護(hù)、防空和清除暴露地雷等方面做出貢獻(xiàn)。高便攜性將使單兵作戰(zhàn)的能力大極大的提高，充分發(fā)揮每一個(gè)兵的作用，當(dāng)然目前這個(gè)想法還是僅僅處于理論階段。目前各國(guó)的激光武器都朝著這個(gè)方向努力，當(dāng)然這個(gè)實(shí)導(dǎo)系統(tǒng)和海軍采用的艦載激光反導(dǎo)系統(tǒng)中都是使用高能CO2激光器。

未來的CO2激光武器將向著高功能、便攜式、殺傷力強(qiáng)發(fā)展。

醫(yī)療上的應(yīng)用

近20年來激光技術(shù)在醫(yī)療有著飛速的進(jìn)步，許多疾病和先天性的疾病都可以被成功地根治。

CO2激光手術(shù)采用的是自由光束CO2激光器，通常都是采用光束與皮膚組織非接觸的方式，比常規(guī)手術(shù)提供了更多便利的條件，包括減少機(jī)械損傷，增加周圍組織被保護(hù)等，并且更易保持無(wú)菌手術(shù)，與其他激光手術(shù)相比，CO2激光手術(shù)刀具有切割能力強(qiáng)，組織吸收系數(shù)大，組織穿透濃度較小（約0.23mm），手術(shù)時(shí)不易傷及動(dòng)脈血管等，使得連續(xù)CO2激光被大量用于外科手術(shù)臨床治療。

但是連續(xù)CO2在臨床上對(duì)組織的損傷屬非選擇性的，手術(shù)治療后常常伴隨著皮膚疤痕等副作用。對(duì)病灶進(jìn)行的切割或氣化時(shí)也有不同程度地?fù)p傷正常組織，因而不能適用于有較高要求的手術(shù)治療，這種情況嚴(yán)重地限制了CO2激光在醫(yī)療中的進(jìn)一步應(yīng)用。 

1983年，Aderson和Parrish提出了“選擇性光熱作用”原理，以進(jìn)行激光的無(wú)損傷治療。這一原理的要點(diǎn)是：當(dāng)激光通過正常組織到達(dá)病變靶組織時(shí)，應(yīng)使靶組織對(duì)激光的吸收系數(shù)大于正常組織，其反差愈大愈好，以便在激光破壞靶組織時(shí)，不傷及正常組織；靶組織的熱弛豫時(shí)應(yīng)大于激光的脈沖寬度或作用時(shí)間，使靶組織在激光加熱過程中，來不及將熱量向周圍正常組織擴(kuò)散，以保護(hù)周圍正常組織。

基于“選擇性光熱作用”原理，90年代后出現(xiàn)了以超脈沖CO2激光治療機(jī)為代表的高能量脈沖醫(yī)療設(shè)備，并得到成功的應(yīng)用，使得要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域得到突破性進(jìn)展，特別是激光美容方面獨(dú)占鰲頭。發(fā)展前景十分廣闊。

超脈沖CO2激光器采用先進(jìn)的脈沖技術(shù)和PWM電源控制技術(shù)，不僅能在極短時(shí)間內(nèi)提高了激光輸出的峰值功率，向靶組織提供足夠的能量，而且可以通過PWM信號(hào)精確控制每個(gè)脈沖的寬度和脈沖重復(fù)頻率。通過計(jì)算靶組織的熱弛豫時(shí)間，控制脈沖寬度可實(shí)現(xiàn)最佳手術(shù)效果。如毛細(xì)血管的熱弛豫時(shí)間約為10μs，要求脈寬小于10μs；皮膚組織的熱弛豫時(shí)間大致為1 ms，要求做皮膚磨削除皺的激光儀的脈寬小于1 ms?，F(xiàn)代激光儀與10余年前的激光儀的最大區(qū)別正是在于對(duì)脈寬的精確控制，這是現(xiàn)代激光治療安全性的根本保證。

超脈沖CO2激光治療機(jī)不但有連續(xù)CO2激光手術(shù)刀的共同特點(diǎn)，還具有本身的優(yōu)點(diǎn)，可輸出高能量高重復(fù)頻率的的脈沖激光，可滿足“激光選擇性光熱作用”的操作要求，可以迅速有效地去除病變靶組織，最大限度地減少激光對(duì)正常組織的損傷，大大提高了醫(yī)學(xué)臨床的準(zhǔn)確性和安全性。臨床實(shí)踐證明，在進(jìn)行同一種手術(shù)時(shí)脈沖激光所使用的激光功率要比連續(xù)激光低得多，因而由激光手術(shù)引起的組織反應(yīng)較輕，對(duì)周圍組織的損傷小，也縮短時(shí)間，治療時(shí)產(chǎn)生煙霧少，視野清晰。 超脈沖CO2激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于耳鼻喉科（Otorhinolaryngology），婦科醫(yī)學(xué)（Gynecology），神經(jīng)外科（Neurosurgery），一般手術(shù)（General Surgery），美容學(xué)（Aesthetics）。微橋點(diǎn)陣治療（Bridge Therapy）技術(shù)推出者Lumenis醫(yī)療激光公司已經(jīng)研究并生產(chǎn)了各種CO2激光治療儀，像NovaPulse Series可用于耳鼻喉科和美容學(xué)，其他還有波蘭的CTL公司生產(chǎn)的MODEL CTL1401是一款手術(shù)儀，日本NANO LASER的GL－Ⅲ可用于口腔科的CO2激光治療儀，目前國(guó)內(nèi)已有5個(gè)國(guó)家級(jí)激光技術(shù)研究中心，十幾個(gè)產(chǎn)品研發(fā)機(jī)構(gòu)。醫(yī)療激光設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)主要集中在上海，武漢，長(zhǎng)春，北京，成都等城市或是周邊地區(qū)。例如擁有CO2激光治療技術(shù)的上海激光研究所，上海嘉定光電儀器有限公司，廣州市激光技術(shù)應(yīng)用研究所，（不列出全部，排名不分主次）。中國(guó)的激光醫(yī)療技術(shù)與西方相比水平并不低，且中國(guó)有13億人口，故激光醫(yī)療器械的潛在需求巨大，今后10年，我國(guó)激光醫(yī)療器械市場(chǎng)將迎來一個(gè)新的繁榮期，超脈沖CO2激光將在這一大浪中起舉足輕重的地位。 

工業(yè)上的應(yīng)用

(1) CO2激光器切割技術(shù)

激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時(shí)間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。激光切割是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割質(zhì)量、高的切割速度、高的柔性(可隨意切割任意形狀)、廣泛的材料適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。

激光切割技術(shù)分為金屬切割是CO2激光切割的最大支柱領(lǐng)域，目前從經(jīng)濟(jì)上考慮，一般用大功率激光切割機(jī)按加工站形式提供代工，隨著國(guó)內(nèi)中功率CO2激光器的成熟，各個(gè)鈑金廠會(huì)自購(gòu)激光切割機(jī)，需求會(huì)大增。非金屬切割應(yīng)用于刀模板切割，木材和高密度木質(zhì)纖維板切割，塑膠切割。

(2) CO2激光器的焊接技術(shù)

激光焊接是一種材料連接方法，主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。它和傳統(tǒng)的焊接技術(shù)一樣，通過將連接區(qū)的部分材料熔化而將兩個(gè)零件或部件連接起來。因?yàn)榧す饽芰扛叨燃校訜?、冷卻的過程及其迅速，一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強(qiáng)的材料，用激光很容易實(shí)現(xiàn)。另一方面，在激光焊接過程中無(wú)機(jī)械接觸，易保證焊接部位不因受力而發(fā)生變形，通過熔化最小數(shù)量的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)合金連接，從而大大提高焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)率。激光焊的焊縫深度比大，而焊縫熱影響區(qū)極小，質(zhì)量好。

例如：金屬薄板的焊接，中功率CO2激光器適合焊接1mm以下厚度的金屬薄板,如汽車部件，發(fā)電機(jī)、刮水機(jī)、啟動(dòng)機(jī)、舉窗機(jī)等經(jīng)常使用到的層疊狀的硅鋼片的固定,過去采用打孔銷釘固定，現(xiàn)在可以激光焊接。

電池焊接，鋰電池的生產(chǎn)工序如極耳焊接、安全閥焊接、負(fù)極焊接、外殼密封焊接使用激光焊接為最佳工藝，需要配備的激光焊接機(jī)的品種和數(shù)量十分巨大。精密儀表零件的激光焊接需求也在增大，如不銹鋼壓力膜片的焊接、航空儀表外殼的焊接。

CO2激光器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

CO2激光器的研究現(xiàn)狀

CO2激光器從誕生到現(xiàn)在的近50年時(shí)間里一直被人類所關(guān)注，二氧化碳激光器是以CO2氣體作為工作物質(zhì)的氣體激光器。CO2激光器是一種比較重要的氣體激光器，目前對(duì)CO2激光器的研究方向主要朝一下幾個(gè)方面：

第一， 高效率的CO2激光器。

顯然，相對(duì)于固體激光器其效率是非常高的，但是總體而言，相對(duì)于CO2激光器本身其效率還是相對(duì)較低的。1964年，通過使用N2，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3%；1965年，通過使用CO2-N2-He混合氣體，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6%。到目前為止，其最高效率也不會(huì)超過60%。在效率提高方面許多公司研究，已美國(guó)大通公司為例，研究的CO2激光器的效率已達(dá)到60%左右。國(guó)內(nèi)研究較好的公司大都具有軍方背景，目前效率已接近國(guó)外水平，代表公司為北京中科思遠(yuǎn)光電科技。

第二， 小體積多功能CO2激光器。

目前大部分的CO2激光器功能單一，只能夠從事某一項(xiàng)非常具體的工作。我們知道大型醫(yī)院里使用的CO2祛斑激光器和CO2除毛激光器，他們的體積都非常的龐大，但是結(jié)構(gòu)基本相同。使用多功能CO2激光器的話，占用的體積小，而且售價(jià)相對(duì)也低了許多。

在這個(gè)方面國(guó)內(nèi)的研究處于國(guó)際水平了，當(dāng)然研究機(jī)構(gòu)大都是具有醫(yī)院背景的。例如擁有完全的自主產(chǎn)權(quán)的吉林省科英激光技術(shù)有限責(zé)任公司，已研究出小體積多功能 CO2激光器（醫(yī)療美容）。

第三， 高功率CO2激光器

高功率一直都是軍方的追求目標(biāo)，在這方面國(guó)內(nèi)的一些軍工企業(yè)

的研究水平還是相對(duì)落后。美國(guó)空軍最早開始著手研究高功率CO2激光器。1975年，也就是CO2誕生的十一周年，美國(guó)空軍醫(yī)研制出功率達(dá)到30KW級(jí)別的CO2激光器。1988年，研究的CO2激光的輸出功率已達(dá)到380KW。目前根據(jù)美國(guó)軍方公布的部分?jǐn)?shù)據(jù)，研制的CO2激光器輸出功率已達(dá)到千萬(wàn)瓦級(jí)別。

第四， 工業(yè)技術(shù)的研究

CO2激光器在激光加工方面占主導(dǎo)地位，它廣泛的用于焊接，切割，熱處理和清洗等方面，輸出激光的質(zhì)量和功率都有很明確的要求。因此，工業(yè)中的CO2激光器要有高質(zhì)量的激光光束和穩(wěn)定的輸出功率。在這個(gè)方面我們一直跟在國(guó)外公司的后面，畢竟我們?cè)诠I(yè)方面的研究晚了近十年。在企業(yè)中，使用較多的CO2激光器為美國(guó)的大通公司所生產(chǎn)的。

激光應(yīng)用已經(jīng)遍及光學(xué)、醫(yī)學(xué)、原子能、天文、地理、海洋等領(lǐng)域，它標(biāo)志著新技術(shù)革命的發(fā)展。如果將激光發(fā)展的歷史與電子學(xué)及航空發(fā)展的歷史相比，你不得不意識(shí)到現(xiàn)在還是激光發(fā)展的早期階段，更令人激動(dòng)的美好前景將要來到。 

CO2激光器的發(fā)展前景

未來的CO2激光器將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

(1) 高功率橫流CO2激光器。

高功率橫流CO2激光器，用于激光加工和熱處理，激光器的整機(jī)呈一體化的箱體。箱體的上箱體中置有一體化的放電室、熱交換器、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、進(jìn)出口導(dǎo)流器以及光學(xué)諧振腔，箱體的下箱體中置有激光電源、充放氣系統(tǒng)、真空泵、鎮(zhèn)流電阻箱和控制盒。與已有技術(shù)相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝調(diào)試和維修方便、激光器的工作效率高，整機(jī)的體積可以小型化的特點(diǎn)。它主要應(yīng)用于金剛石工具、汽車齒輪、汽車安全氣囊氣體發(fā)生器等焊接中的應(yīng)用，激光表面淬火與熔覆工藝及其在鋼鐵軋輥表面熔凝淬火、石油化工零件表面修復(fù)等方面的特殊應(yīng)用。

(2) 聲光調(diào)Q CO2激光器：為滿足激光測(cè)距、環(huán)境探測(cè)、空間通訊及激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理研究等領(lǐng)域應(yīng)用要求，研制了聲光調(diào)Q C02激光器。針對(duì)影響聲光調(diào)Q CO2：激光器輸出的各種因素，利用調(diào)Q脈沖激光器速率方程對(duì)該激光器輸出的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，提出了聲光調(diào)Q CO2：激光器優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。激光器脈沖重復(fù)頻率為lHz～50 kHz，在l kHz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)獲得的輸出激光脈沖寬度為180 ns，峰值功率為4062 W，與理論計(jì)算基本一致。結(jié)果證明：通過聲光晶體(AO)的優(yōu)選及諧振腔的合理設(shè)計(jì)。可實(shí)現(xiàn)小型CO2激光器的高重頻、窄脈寬，高峰值功率輸出，并可通過光柵選線的設(shè)計(jì)方式和TTL信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)此類激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧和編碼輸出。

(3)緊湊型長(zhǎng)壽命射頻激勵(lì)波導(dǎo)CO2激光器 :為了使CO2激光器在工業(yè)加工及軍事上有更廣泛的應(yīng)用,采用鋁合金拉制型材作為激光器殼體、盤裝電感代替?zhèn)鹘y(tǒng)線繞電感的結(jié)構(gòu)以及全金屬封接工藝等,研制出一種緊湊型長(zhǎng)壽命射頻激勵(lì)波導(dǎo)CO2激光器.可連續(xù)輸出或在不高于20kHz調(diào)制頻率下脈沖輸出,最大輸出功率30W,實(shí)測(cè)工作壽命超過1500h,存儲(chǔ)壽命超過1.5a.結(jié)果表明,這種激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出功率穩(wěn)定、工作壽命長(zhǎng)、可連續(xù)及脈沖調(diào)制工作等特點(diǎn),除了能滿足各種材料的加工,也可在軍事上應(yīng)用。

(4)新型便攜式TEA CO2激光器：它是一種新型便攜式橫向激勵(lì)大氣壓CO2激光器。該激光器采用4節(jié)5號(hào)充電電池直流供電,在1 Hz重復(fù)頻率條件下,可連續(xù)工作1 h.激光器整機(jī)(包括電源及控制系統(tǒng))尺寸為200 nm×200 mm × 360 mm,質(zhì)量小于8 kg.激光器使用紫外電暈預(yù)電離方式,放電均勻、穩(wěn)定.自由振蕩情況下,激光脈沖輸出能量達(dá)到35 mJ,輸出脈沖寬度為70 ns。

(5)高功率連續(xù)CO2激光器：針對(duì)直升飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片采用連續(xù)激光熔覆出現(xiàn)裂紋及葉片變形的問題,在5 kW連續(xù)橫流CO2激光器上,采用新的電源控制方案,通過軟件及相關(guān)控制,實(shí)現(xiàn)了脈沖激光功率輸出.克服了采用高功率開關(guān)電源帶來的成本和穩(wěn)定性問題.且脈沖調(diào)制頻率可達(dá)到5 Hz,調(diào)制占空比可達(dá)到5%～100%.當(dāng)采用4 kW峰值功率,4 Hz脈沖重復(fù)頻率,占空比為20%時(shí),在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片K403合會(huì)表面進(jìn)行合金粉末Stellite X-40的熔覆實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明,熔覆后熱影響區(qū)比連續(xù)激光減少50%,硬度提高5%,界面結(jié)合性能與母材相當(dāng),無(wú)熔覆裂紋及葉片變形。