激光工农业应用

激光工农业应用第1页/共68页2激光在工业上的应用

——激光加工视频：1.华工激光汽车应用2.意大利激光雕花机在服装加工上的应用3.国外工业激光应用技术第2页/共68页3激光表面处理技术激光热处理技术激光清洗技术激光存储技术激光微调技术激光划线技术激光去重平衡技术激光打孔技术激光打标技术激光快速成形技术激光雕刻技术激光焊接技术目前已成熟的激光加工技术包括：激光切割技术第3页/共68页4利用激光束与物质相互作用的光热效应特性对包括金属与非金属的各种材料进行加工，涉及到焊接、切割、打标、打孔、热处理、成型、涂敷等多种加工工艺，应用非常广泛。激光加工技术一.激光加工的原理

激光是一束相同频率、相同方向和严格位相关系的高强度平行单色光。由于光束的发散角通常不超过0.1°，因此在理论上可聚焦到直径为光波波长尺寸相近的焦点上，焦点处的能量密度可达108～1010W/cm2，温度可高达摄氏1万度，从而使任何材料均在瞬时（＜10－3s）被急剧熔化乃至气化，并产生强烈的冲击波被喷发出去，从而达到切除材料的目的。第4页/共68页5二.激光加工的特点耗能少、污染小、效率高等；由于激光加工的功率密度高，几乎可以加工任何材料；激光束可调焦到微米级，其输出功率可以调节，因此，激光可用于精细加工；激光属非接触式加工，无明显机械切削力，因而具有无工具损耗、加工速度快、热影响区小、热变形和加工变形小，易实现自动化等优点；能透过透视窗孔对隔离室或真空室内的零件进行加工；激光技术还与计算机数控技术结合为制造业达到优质、高效和低成本运作提供了全新手段。第5页/共68页6激光加工系统

包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。激光加工工艺

包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。三.激光加工的举例第6页/共68页71激光焊接原理：激光焊接是把能量密度很高的激光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后冷却得到焊缝。目前使用的激光器有YAG(钇铝石榴石)激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。特点：激光焊接具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同或不同材质、厚度的金属间的焊接，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利；激光束可以被聚得很细，光斑能量密度很高，几乎可以气化所有的材料，有广泛的适用性；激光功率可控，易于实现自动化；激光束功率密度很高，焊缝熔深大，速度快，效率高；视频：1激光焊的应用

2激光焊过程第7页/共68页81）要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。2）激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。

局限性：激光焊缝窄，热影响区很小，工件变形很小，可实现精密焊接；激光焊缝组织均匀，晶粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。第8页/共68页9激光焊接高能激光（能产生约5500oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起第9页/共68页101）片与片间的焊接

包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。2）丝与丝的焊接

包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。3）金属丝与块状元件的焊接

采用激光焊接可以成功的实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸可以任意。在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。4）不同金属的焊接

焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围。不同材料之间的激光焊接只有某些特定的材料组合才有可能。激光焊接工艺方法第10页/共68页111）激光深熔焊的原理2）激光深熔焊工艺参数当激光功率密度达到106—107W／cm2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（图7-21），孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。※临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于某一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界功率密度

深熔焊小孔示意图※

激光深熔焊的熔深：激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数。

激光深熔焊小孔和围着孔壁的熔融金属（熔池）随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属填充着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，形成焊缝。第11页/共68页12汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。应用领域：应用举例：例1：铝质车身数量的增长，将加速激光焊接在汽车制造中的应用。例如：奥迪公司A2型轿车全铝车身采用激光焊接的部件，其焊缝总长达30m。铝材料使用激光焊的主要优点是：焊接速度快。与传统的车身点焊技术相比，经激光焊接的部位，其强度和刚性更好。此外，激光焊可省掉焊接凸缘，这无疑可减少材料消耗，有利于汽车自身重量的下降。激光焊既可使铝薄板与铝薄板（件）之间实现联接，亦可使铝薄板（件）与铝铸件相联接。

第12页/共68页13激光焊接汽车第13页/共68页14第14页/共68页15例2：对塑料件进行激光束透射焊接。将一种透明的塑料件与另一种带有吸附充填材料的塑料件相联接。激光束穿透上部透明的塑料件，使下部连接件瞬间熔化，通过熔化膨胀将上部件湿润并局部熔化，上下零件焊接在一起。例如：德国巴伐利亚州激光技术中心（BLZ）开发出一种安全气囊控制装置的（塑料）外壳激光束透射焊接技术，采用的是二极管激光器，与传统的焊接技术相比，不仅工艺过程柔性高，而且电子部件也很少受到焊接过程产生的机械和热损害。

第15页/共68页162激光切割激光切割头的结构示意图如图所示为激光切割头的结构，除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。

原理：激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。使用的激光器有YAG激光器和CO2激光器。视频：光纤激光切割玻璃第16页/共68页17特点：速度快，切口光滑平整，一般无需后续加工；切割热影响区小，板材变形小，切缝窄（0.1mm~0.3mm）；切口没有机械应力，无剪切毛刺；加工精度高，重复性好，不损伤材料表面；数控编程，可加工任意的平面图，可以对幅面很大的整板切割，无需开模具，经济省时。第17页/共68页18激光切割的主要特性

1)激光切割的切缝窄，工件变形小

激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快加热至气化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切边受热影响很小，基本没有工件变形。

切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助气体。比如：钢切割时利用氧作为辅助气体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣；切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气；棉、纸等易燃材料切割使用惰性气体。进入喷嘴的辅助气体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。第18页/共68页192)激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工

激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点。首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，可提供（1）狭的直边割缝；（2）最小的邻近切边的热影响区；（3）极小的局部变形。其次，激光束对工件不施加任何力，它是无接触切割工具，这就意味着：（1）工件无机械变形；（2）无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题；（3）切割材料无须考虑它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影响，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而（1）与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；（2）由于不存在对切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力；（3）与计算机结合，可整张板排料，节省材料。第19页/共68页203)激光切割具有广泛的适应性和灵活性

与其它常规加工方法相比，激光切割具有更大的适应性。同样作为热切割过程，别的方法不能象激光束那样作用于一个极小的区域，结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能。第20页/共68页211)气化切割

在高功率密度激光束的加热下，材料表面温度升至沸点温度的速度是如此之快，足以避免热传导造成的熔化，于是部分材料气化成蒸气消失，部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。2)熔化切割

当入射的激光束功率密度超过某一值后，光束照射点处材料内部开始蒸发，形成孔洞。一旦这种小孔形成，它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金属壁所包围，然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。随着工件移动，小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。激光束继续沿着这条缝的前沿照射，熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。激光切割的主要工艺第21页/共68页223)氧化熔化切割

熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体，材料在激光束的照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源，称为氧化熔化切割。4)控制断裂切割

对于容易受热破坏的脆性材料，通过激光束加热进行高速、可控的切断，称为控制断裂切割。这种切割过程主要内容是：激光束加热脆性材料小块区域，引起该区域大的热梯度和严重的机械变形，导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。第22页/共68页231)金属材料的激光切割

虽然几乎所有的金属材料在室温对红外波能量有很高的反射率，但发射处于远红外波段10.6m光束的CO2脉冲激光器还是成功的应用于许多金属的激光切割实践。金属对10.6m激光束的起始吸收率只有0.5%~10%，但是，当具有功率密度超过106W/cm2的聚焦激光束照射到金属表面时，却能在微秒级的时间内很快使表面开始熔化。处于熔融态的大多数金属的吸收率急剧上升，一般可提高60%~80%。如：不锈钢、碳钢、合金钢、铝板等。常用工程材料的激光切割第23页/共68页242)非金属材料的激光切割

10.6m波长的CO2连续激光束很容易被非金属材料吸收，导热性不好和低的蒸发温度又使吸收的光束几乎整个输入材料内部，并在光斑照射处瞬间气化，形成起始孔洞，进入切割过程的良性循环。如：有机玻璃、木板、塑料等非金属板材.第24页/共68页25应用领域：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。如：芯片电路的准确分割，调节精密电阻，绘制集成电路图，刻制光栅等第25页/共68页26应用举例：例1：德国巴伐利亚州激光技术中心（BLZ）研发出铝泡沫夹层材料（AFS）的激光切割技术，AFS是一种卓越的汽车轻量化复合材料，其芯部为铝金属泡沫材料，外层是两个很薄的包覆薄板材（件），重量轻，刚性好，且强度高，可任意成形。AFS应在形成泡沫和非泡沫状态下被激光切割（加工）。例2：机器人辅助激光切割塑料的一个典型例子是大众汽车公司的高尔夫IV型轿车C柱的内衬件。应用二氧化碳激光器，并直接安装在机器人手臂上，切割这种3D--塑料内衬部件的外轮廓、切出通风孔和安全带的固定孔。大众应用的这种激光束切割技术，不仅作业速度快，而且切割面质量均匀一致。第26页/共68页27激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料气化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米量级到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。准分子激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。3激光打标视频：1.光纤激光打标机2.珠海按键激光打标机加工3.意大利激光雕刻机在瓷砖加工上的应用第27页/共68页28激光打标第28页/共68页29激光竹雕——王羲之的《兰亭序》第29页/共68页30激光制作的金属工艺品第30页/共68页314.1激光打孔原理激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘。激光打孔机的基本结构示意图4激光打孔视频：激光打孔机第31页/共68页324.2激光打孔工艺参数的影响※

被加工材料对打孔的影响※

脉冲激光的重复频率对打孔的影响用调Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。

材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。

※

脉冲宽度对打孔的影响脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。第32页/共68页33※激光打孔中离焦量对打孔的影响当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时相同条件下打出的孔最深。过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（坑）。离焦量对打孔质量的影响第33页/共68页34激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400W提高到了800W至1000W。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。4.3激光打孔的发展第34页/共68页35激光打孔技术与机械钻孔、电火花加工等常孔打孔手段相比，具有显著的优点：（1）打孔速度快，效率高，经济效益好（2）可获得大的深径比（3）可在硬、脆、软等各种材料上进行（4）无工具损耗（5）适合于数量多、高密度的群孔加工（6）可在难以加工的材料倾斜面上加工小孔第35页/共68页36激光打孔的分类1)复制法

激光束以一定的形状及精度重复照射到工件固定的一点上，在和辐射传播方向垂直的方向上，没有光束和工件的相对位移。复制法包括单脉冲和多脉冲。目前一般采用多脉冲法，其特点是可使工件上能量的横向扩散减至最小，并且有助于控制孔的大小和形状。毫秒级的脉冲宽度可以使足够的热量沿着孔的轴向扩散，而不只被材料表面吸收。激光束形状可用光学系统获得。如在聚焦光束中或在透镜前方放置一个所需形状的孔栏，即可以打出异形孔。第36页/共68页372）轮廓迂回法

加工表面形状由激光束和被加工工件相对位移的轨迹决定。

用轮廓迂回法加工时，激光器既可以在脉冲状态下也可以在连续状态下工作。用脉冲方式时，由于孔以一定的位移量连续的彼此迭加，从而形成一个连续的轮廓。采用轮廓加工，可把孔扩大成具有任意形状的横截面。第37页/共68页38

在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、模具、机电、机床行业和其它机械行业也应用广泛。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。激光热处理技术包括：激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。

激光相变硬化(即激光淬火)是激光热处理中研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺，适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲劳强度,国外一些工业部门将该技术作为保证产品质量的手段。5激光热处理视频：激光清洗机？第38页/共68页39激光淬火技术，是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.3~2.0mm范围之间激光淬火视频：激光用于淬火质量优势技术特质适用材料实际应用淬火零件不变形激光淬火的热循环过程快中碳钢大型轴类几乎不破坏表面粗糙度采用防氧化保护薄涂层模具钢各种模具激光淬火不开裂精确定量的数控淬火冷作模具钢模具、刃具对局部、沟、槽淬火定位精确的数控淬火中碳合金钢减振器激光淬火清洁、高效不需要水或油等冷却介质铸铁材料发动机汽缸淬火硬度比常规方法高淬火层组织细密、强韧性好高碳合金钢大型轧辊第39页/共68页40激光快速成型技术是在90年代初，在计算机、激光、高分子材料、CAD／CAM、精密机械等新技术迅速发展下应运而生的，并在汽车工业中很快得到应用。将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。激光快速成型系统一般采用：二氧化碳气体或氩气体激光器，利用计算机将复杂的三维物体转化为二维层，然后利用“积分”的思想，将热塑性塑料粉末或胶粘衬底片材纸张烧结，由点、线构造零件的面(层)，然后逐层成型。激光快速成型技术可使新产品及早投放市场，极大地提高了汽车生产企业对市场的应用能力和产品的竞争能力。6激光快速成型视频：1.激光快速原型制造技术2.三维激光扫描仪应用系列之石狮三维建模3.美国全新激光技术外星“制造”工具第40页/共68页41激光快速成型（麦道飞机节流阀概念模具）第41页/共68页42激光加工装备的三大技术突破

上世纪90年代末以来，激光加工装备在激光源、检测控制部件、计算机和软件等三个方面取得了突破性进展。

1.在激光源方面气体激光向固体激光器转变，氪灯泵浦向半导体泵浦转变，激光发生装置体积大大缩小，光束质量、能量密度大大提高。小功率激光器中，以YAG、半导体泵浦激光（脉冲、连续、单模稳频、微片、倍频）、紫外激光为主的小型、精密加工技术迅速发展。在美国：CO2激光器58%用于切割、12%用于焊接、11%用于标记、1%用于热处理、其它为18%；Nd：YAG激光器24%用于焊接，39%用于标记，7%用于切割，18%用于微电子加工，3%用于打孔，其它9%。第42页/共68页43国际激光产业界2000年的统计表明，固体激光器和CO2激光器行业产值分别占激光材料加工产业总产值的36%和46%。但由于固体激光器发展迅速，近年来固体激光加工设备在国内的销售收入已经超过了CO2激光加工设备。

2.在关键检测和运动控制部件方面激光加工装备与现代检测技术，实时控制日益结合紧密，系统集成带有实时检测、反馈处理,电机由步进向伺服再向直线电机演进，系统反应速度大大加快，体积缩小，结构更加简单，使得敏捷制造成为可能。第43页/共68页443.在计算机和软件方面随着半导体和计算机技术的迅速发展，数据处理和传送能力大幅提高，软件的丰富促进了专家系统的建立，加工系统智能化已成为发展趋势，激光在线加工变得寻常，而在线加工技术的发展又反过来激发了激光加工装备市场的增长，激光加工在信息标记、切割、焊接、钻孔等领域的应用得到不断拓展。激光加工装备目前发展最为迅速的是在激光信息标记行业领域。这一领域的高速增长的主要原因就在于加工设备的小型化、桌面化、快速化，这“三化”使得激光打标机可以象激光打印机一样进入办公室甚至是家庭。第44页/共68页45四、激光微加工

一般指加工尺寸在几个到几百微米的工艺过程。激光脉冲的宽度在飞秒（fs）到纳秒（ns）之间。激光波长从远红外到X射线的很宽波段范围。目前主要应用于微电子、微机械和微光学加工三大领域。

激光微加工技术在设备制造业、汽车以及航空精密制造业和各种微细加工业中可用激光进行切割、钻孔、雕刻、划线、热渗透、焊接等，如20多微米大小的喷墨打印机的喷墨口的加工。利用诸如微压型、打磨抛光等激光表面处理技术来加工多种微型光学元件，也可通过诸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化来改变组织结构，然后，通过调和外部机械力，再在软化阶段依靠等离子体辅助进行微成形来加工微光学元件。

视频：激光微孔加工第45页/共68页46

随着近年来全球手机、数码相机和笔记本电脑等便携式电子产品向轻、薄、短、小的趋势发展，印制线路板（PCB）逐步呈现出以高密度互连技术为主体的积层化、多功能化特征。为了有效地保证各层间的电气连接以及外部器件的固定，过孔（via）已成为多层PCB的重要组成部分之一。目前钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%-40%。在高速、高密度的PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上不仅可以留有更多的布线空间，而且过孔越小，越适合用于高速电路。传统的机械钻孔最小的尺寸仅为100μm，这显然已不能满足要求，代而取之的是一种新型的激光微型过孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工业上可获得过孔直径达到在30-40μm的小孔或用UV激光加工10μm

左右的小孔。

第46页/共68页47超短脉冲激光在微加工技术的最新进展

CO2激光和YAG激光是连续和长脉冲激光，主要靠聚焦形成高能量密度，从而在局部产生高温来烧蚀材料，基本上属于热加工范畴，加工精度有限。准分子激光则依靠其短波长(紫外)与材料进行光化学相互作用，其特征尺度可达到微米量级，但准分子激光器所需的气体是腐蚀性的，难以操控，而且，高强紫外激光对加工系统的光学元件容易造成损伤，其应用因而受到限制。随着对激光领域的深入研究，激光脉冲的时域宽度被压缩得越来越短，从纳秒(10-9

s)量级到了皮秒(10-12

s)量级直至飞秒(10-l5s)量级。第47页/共68页48飞秒脉冲激光具有以下两个特点(1)脉冲持续时间短飞秒脉冲的持续时间可以短至几个飞秒，而光在1fs内仅仅传播0.3μm，比大多数细胞的直径还要短；(2)峰值功率极高飞秒激光将脉冲能量集中在几个至几百个飞秒的极短时间内，因此其峰值功率很高。例如，将lμJ的能量集中在几个飞秒时间内并会聚成10μm的光斑，其光功率密度可达到1018W／cm2，将其换算成电场强度则为2×1012V/m，为氢原子中库仑场强(5×1011V／m)的4倍，这就有可能将电子从原子中直接剥离出来。第48页/共68页49从激光与透明材料的相互作用机理来看：脉冲宽度从连续激光到几十皮秒，损伤机制为雪崩电离过程，依赖与初始的电子密度，而材料中的初始电子密度由于材料中杂质分布的不均匀而变化很大。因此，损伤阈值变化也很大。对长脉冲激光损伤阈值定义为可引起损伤几率为50％的激光能流密度，即长脉冲激光损伤阈值是一个统计值。超短脉冲激光的场强极高，束缚电子可以同时吸收n个光子直接从束缚能级跃迁到自由能级。超短脉冲激光引起的损伤虽然也是雪崩电离过程，但其电子由多光子电离过程产生，不再依赖于材料中的初始电子密度，因此，损伤阈值是精确值。脉冲激光的损伤阈值是随脉冲宽度下降而明显减小，到了皮秒量级，下降速率变缓，到飞秒量级时已基本不变。第49页/共68页50另外，由于超短脉冲激光的损伤阈值很精确，因此将激光的能量控制在正好等于或略高于损伤阈值，则只有高于损伤阈值的部分产生烧蚀，可进行低于衍射极限的亚微米加工。飞秒激光可产生超高光强、具有精确且较低的损伤阈值，很小的热影响区、几乎可精密加工所有种类材料，并且，加工精度极高，可进行亚微米尺寸的精密加工。激光微加工生产效率高，成本低，加工质量稳定可靠，具有良好的经济效益和社会效益。飞秒激光以其独特的脉冲持续时间短、峰值功率高等优越性能正在打破以往传统的激光加工方法，开创了材料超精细、无热损伤和3D空间加工和处理的新领域。第50页/共68页51飞秒激光加工技术应用包括微电子学、光子晶体器件、高信息传输速度（1Tbit/s）的光纤通讯器件、微机械加工、新型三维光存储器、以及微细医疗器件制作和细胞生物工程技术等方面具有广泛应用前景。可以预言，激光微制造技术必将以其无可替代的优势成为21世纪迅速发展的一项高新技术。

第51页/共68页52激光在农业上的应用

——举例第52页/共68页53促进作物生长发育，提高产量和品质。作物在激光适当波长的照射刺激下，能使种子提早发芽和加快生长速度，增加花蕾数目。动植物激光诱变育种。采用激光作诱变源，选用不同波长照射，可引起有机体变异甚至突变，而培育动、植物和微生物品种。应用激光照射诱发突变，育成的作物品种有小麦、水稻、玉米、棉花、大豆、油菜、番茄、柑桔等；培育的动物新品种有：蚕、鱼、虾；激光选育的微生物种类主要有：苏云金杆菌、白僵菌、灰色链霉菌、纤维素酶产生菌（木霉）。治病虫害、消灭杂草。选用不同波长的激光，可消灭不同的害虫和病菌，而不会污染环境。在农业机械化操作中，国内外已推广应用在拖拉机上安装激光装置，指示平整土地。应用激光技术治疗家畜疾病。激光在农业上的应用举例第53页/共68页54

光是地球上一切生命的能量来源，也是一切作物赖以生存的环境中最为重要的因素之一。任何植物都离不开阳光。但是，并不是所有的光对植物的作用都相同，只有特殊波段的光才对植物有特定的刺激、生长等积极作用。

据研究表明：波长390~410nm的蓝紫光，可活跃叶绿体的运动；波长600~700nm的红橙光，可增强叶绿素的光合能力，它们都能促进植物的生长；波长500~560nm的绿色光，则会被叶绿体反射和透射，使植物的光合能力下降，不利于生长。

例1：给植物“按需施光”第54页/共68页55根据这一原理，国外出现了一股试用各种有色薄膜进行植物生产的热潮。有色薄膜的作用在于改变其光谱成分，使通过的光线，具有更多的红橙光和蓝紫光，从而提高植物的光合效率，达到增产和改善品质的目的。据研究：红色光能提高作物的含糖量；蓝色光能增加作物的蛋白质的含量。实验证明：甜瓜在红光照射下，不仅能显著提高瓜肉糖分和维生素含量，而且可以提前20天收获。小麦在红光下或晚播后覆盖红色薄膜，可以加速生长，增加产量，并且可以加速其蛋白质的合成，大大改善小麦的品质。四季豆和辣椒以红色膜为好。棉花育秧也以红色膜为好，这样培养出来的棉花株高茎粗根多叶大。蓝色薄膜下的黄瓜和香菜，维生素C的含量增加。

第55页/共68页56除红、蓝光外，还有人用黄色薄膜栽培黄瓜，结果增产40%左右。有人用黄色薄膜覆盖芹菜和莴苣，发现不仅叶柄显著伸长，植株高大，还能推迟抽苔，延长食用期。蕃茄、茄子、韭菜在紫膜下产量增加。菠菜在紫色和银色膜下，生长迅速。用青色（蔚蓝色）薄膜进行水稻育秧时，叶绿素、氮素、磷酸的含量都增加，可防止秧苗发生黄化现象，这种秧苗移栽以后，分孽数高10~20%，这对于寒冷地区，尤其是新疆地区的水稻生产来说，可起到稳产、高产的作用。第56页/共68页57

此外，用激光照射种子、植株及灌溉水，可加速细胞的生长过程，发芽率高，光合效能强，早熟高产。实验表明，经过处理的种子，每m2土地上的胡萝卜提高10%；甜菜提高20%。在农作物的苗期或生长期，使用适当剂量的激光照射植株，可以大大促进它的生长发育。这个有趣的现象被称为激光的生物刺激反应。

视频：朝鲜：激光种子处理技术第57页/共68页58例2：激光可给某些蔬菜剥皮

一家美国公司发明的是一种使用连续波的二氧化碳激光器，工作效率非常高，可以快速为蔬菜去皮。工作过程：用一条输送带把蔬菜从一个旋转的镜子下面输送过去，这个镜子的作用是用来反射3条激光束，激光束从蔬菜上扫过后，就把蔬菜的皮给去掉了。工作原理：二氧化碳的激光光线具有一个特殊的性质，就是可以很容易地被水分吸收掉。一般蔬菜或水果的皮是干燥的，而里面的果肉是潮湿的，因此，二氧化碳激光光线就能把蔬菜的外皮烧掉，遇到潮湿的果肉就自动消失掉了。

第58页/共68页59以前，人们要大规模地给食物去皮时，采用的是压力炉方法。这种方法可把食物的表皮炸掉，与此同时，也损失掉了大约15％的果实。用激光剥皮法既方便快捷，还避免了果肉的损失，可谓一举两得。目前，激光剥皮法已经成功地应用在了马铃薯的除皮流水线上，美国匹兹堡的海因茨公司已为新发明的马铃薯激光剥皮法申请了专利。

第59页/共68页60蔬菜远距离运输，装运前用激光扫描一次就够了，途中十天八天仍新鲜如常。原理很简单，激光能量大时就抑制了蔬菜生长。例3：蔬菜保鲜用激光给植物“按需施光”，给蔬菜去皮、保鲜，都具有极高的商业价值！！！第60页/共68页61除草美国一家农业研究所的科研人员研制成功一种新型的激光除草剂，其主要成分是氨基乙酰丙酸。这种除草剂完全是通过光发挥作用的，效力大，用量小，不损害农作物，对人畜无害，使用非常方便。于黄昏前喷射施用，被杂草吸收后，在光的作用下，便产生有害物质，破坏杂草的细胞膜，最后流出汁液，在4小时之内杂草就变白而枯死。灭虫国外科学家研究结果表明，采用激光照射蚊虫类和螨类害虫，能将它们全部杀死。如果采用高能激光照射农作物的害虫，轻者绝育，重者死亡。对环境没有污染。

例4：激光除草、灭虫

第61页/共68页62例5：激光检测作物病因美国农业科学家研究表现：当激光照射到健康的农作物上时，就能被利用吸收进行光合作用。如果激光照射到生长不良或有病虫害的作物上，光能不会完全被光合作用所利用，其中有一部分会分散成不同波长的冷光被反射回来。通过分析这些光的性质，就可以检测出农作物的病害，确诊病因，对症下药。第62页/共68页63广西产的沙田柚是盛誉海内外的名果，果肉柔嫩，味甜有蜜味。主要缺点是果内的籽太多，一个果平均有籽140－150粒。现在，用激光改造了柚子树性能，结的柚子里面含的籽很少，而且有4％的果内一粒籽都没有。果子的肉更甜，含可溶性固性物高达12－14％，比通常的果子含量高2％左右，产量也提高了。平均每棵树可以收400个果，而以前只有150－200个。不同国家的人，对诸如桔子、柑、橙、苹果等水果的口味要求有些差别，一些国家的人喜欢带点酸味的水果，我国人则多数喜欢甜味比较浓的水果。现在，利用激光技术也可以“设计”出不同口味要求的桔子树、柑树、橙树和苹果树。例6：改良水果品种第63页/共68页64澳大利亚的养羊业非常发达，但用传统的剪刀剪羊毛费时费力，效率低。澳大利亚阿雷德布机械研究所研制出一种激光剪羊毛机，这种剪毛机是利用二氧化碳激光器产生光能，通过聚焦