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1、激光及其在交通运输方面的应用激光于 1960 年诞生，最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，英文名为Laser，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的 出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果和成果，从而大大地促进了生产力的发展。1964 年钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。若原子或分子等微观粒子具有高能级 E2 和低能级 E1,E2 和 E1 能级上的布居数密度为 N2 和 N1，在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光
2、，与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时，两种过程的几率相等。在热平衡情况下 N2N1 ，所以受激吸收跃迁占优势，光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使 N2N1,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下，受激发射跃迁占优势。光通过一段长为 l 的处于粒子数反转状态的激光工作物质(激活物质)后，光强增大 eGl 倍。G 为正比于(N2-N1)的系数，称为增益系数，其大小还与激光工质如果，把一段激活物质
3、放在两个互相平行的反的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。 射镜（其中至少有一个是部分透射的）构成的光学谐振腔中，处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外：轴向传播的光波却能在腔内往返传播,当它在激光物质中传播时，光强不断增长。如果谐振腔内单程小信号增益 G0l 大于单程损耗 (G0l 是小信号增益系数)，则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）。同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话，会导致原子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收）；然后，部分跃迁
4、到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射）。这些运动不是孤立的，而往往是同时进行的。当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒共振腔、足够的外部电场，就会产生出激光了。1.定向发光 普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有 0.001 弧度，接近平行。1962 年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约 38 万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯
5、光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。 2.亮度极高 在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为 0.02 勒克斯（光照度的单位） ，颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。 3.颜色极纯 光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分
6、布范围约在 0.76 微米至 0.4 微米之间，对应的颜色从红色到紫色共 7 种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氪灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001 纳米，因此氪灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。 激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到 210-9 纳米，是氪灯发
7、射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。 此外，激光还有其它特点：相干性好。激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，称为非相干光。 闪光时间可以极短。由于技术上的原因，普通光源的闪光时间不可能很短，照相用的闪光灯，闪光时间是千分之一秒左右。脉冲激光的闪光时间很短，可达到 6 飞秒（1 飞秒=10-15 秒） 。闪光时间极短的光源在生产、科研和军事方面都有重要的用途。4.能量密度极大光子的能量是用 E=h
8、f 来计算的，其中 h 为普朗克常量，f 为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围 3.846*10(14)Hz 到 7.895*10(14)Hz.电磁波谱可大致分为：（1）无线电波波长从几千米到 0.3 米左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；（2）微波波长从 0.3 米到10-3 米，这些波多用在雷达或其它通讯系统；（3 ）红外线波长从 10-3 米到 7.810-7 米；（4）可见光这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从 780380nm。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分；（5）紫外线波长从
9、3 10-7 米到 610-10 米。这些波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强；（6 ）伦琴射线 这部分电磁波谱，波长从 210-9 米到610-12 米。伦琴射线（X 射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；（7） 射线是波长从 10-1010-14 米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。 射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。由此看来，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因为它的作用范围很小，一般只有
10、一个点） ，短时间里聚集起大量的能量，用做武器也就可以理激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为：1.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。2.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。激光焊接：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。目前
11、使用的激光器有 YAG激光器，CO2 激光器和半导体泵浦激光器。激光切割：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。使用激光器有 YAG 激光器和 CO2 激光器。 激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，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。激光打孔：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，
12、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。激光热处理：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、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。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：
13、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。激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率 YAG 激光器、 CO2 激光器为主。国民经济的快速发展要求交通运输“多拉快跑”，发展重载和高速列车，致使轮轨磨耗、变形加大、寿命缩短。为保证行车安全，必须及时准确地获得铁道轮轨磨耗变形数据,以便快速准确的更换来保障行车的安全。: 0 6 w# ?- L2 o 目前，我国铁路公务系统主要采用人工和轨检车结合的方法对钢轨磨耗进行检测。前者是机械接触式手工检测，存在工作量大、工作环境恶劣、
14、效率低等缺点，机械装置与钢轨进行接触式的检测使得所得到的钢轨外形和轨距的准确度和完整性不够高，同时长期的接触式测量使钢轨造成不必要的磨损，以及测量时要经过一些附件的连接点区域较为困难等缺陷，并且容易受到环境的影响。后者是非接触检测方式，一般采用光学系统来检测。光学系统安装在轨检车上，动态的检测铁路沿线的钢轨状态。这种检测方式精度高，响应快，安全可靠，工作稳定，避免了与移动物体之间的接触，也就避免不必要的磨损，是先进适用的技术。3 y; 这种光学系统未来的一个发展方向就是激光摄像技术，其主要原理是：利用高强度的线激光光束投射到轨面至内侧轨腰上，在与光束成一定角度的位置上安装 CCD 装置，对其进
15、行摄像，然后对影像的信息进行数字化的处理并形成具有影像边界的钢轨轮廓。通过模式识别，再与标准的轨形进行比较，得出磨耗量。这种方法的优点是技术先进，抗干扰性能较好，测量精度高，可以提供钢轨全断面测量、波磨测量，适用于高速铁路或对线路状态要求较高的轨道检测。显然，这种激光摄像技术对光源有着非常高的要求，其中最重要的两点：一个是高功率密度，一个是良好的均匀性。前者主要是提高信噪比，即要求在强烈的噪声背景下(如阳光、灯光等)仍然能提取到信号；后者主要是为图像识别考虑，即要求激光线在整个检测长度的范围内都有较好的均匀性。1 _5 T . C- u |9 v 一款美国 Stockeryale 公司生产的大
16、功率结构光源激光器Magnum2。这款激光器在上面提到的两点上都具有绝对的优势，而且最重要的，它带有热电制冷系统和内置的风扇，可以保证激光二极管工作过程中温度保持恒定，从而使它的波长稳定性，功率稳定性以及使用寿命上都具有绝对的竞争力。目前这款激光器已经在国内外高速路面检测上取得了广泛的应用。2 r 目前，这款激光器已经在国内外高速路面检测上取得了广泛的应用。更多关于这款激光器的详细信息参见（一）激光准直技术在铁道线路建设中的应用激光准直技术在铁道线路建设中的应用极大地改善了铁道线路的状态，文章同时还介绍了激光 准直系统的组成和工作原理。 随着铁路运输提速、重载的快速发展，对旅客列 车的安全性、舒适性、平稳性提出更高的要求，除了 改进车辆走行系统结构外，更重要的是进一步提高轨道线路的平直状态和保持石碴道床的良好弹性。 0832 型和 0932 型大型捣固车是铁道线路维修 和大修作业中的主力设备，它具有道床捣固、轨道起 拨道、超平等功能，生产效率和作
