激光技术前沿应用（3）

CNI laser

激光技术前沿应用（3）

十五、大幅画三维彩色全息

三维彩色全息技术，就是一种在三维空间中投射三维立体影像（影像为物理上的“立体”而非单纯视觉上的“立体”）的次时代技术。这项技术是利用干涉和衍射原理来记录并再现物体真实的三维立体图像的技术，由于干涉信息每个点都记录在全息图上，所以即便损坏也可以完整的看到整个像。由于三维彩色全息图比单色全息图更能真实的反应物体的原始信息，因此在全息显示方面具有广阔的应用前景。

为实现高清晰、大幅画、三维彩色全息显示，利用全息角度复用技术、全息旋转复用技术和全息波长复用技术在液晶薄膜中实现多重复用全息显示，采用RGB三色激光实现RGB图像分量的再现。RGB图像分量被记录在三个不同的全息图中，这三个全息图利用角度复用被记录在液晶薄膜的同一记录点。绿色激光作为记录光同时记录三幅全息图，然后红绿蓝三色激光分别读出相应的全息图，这三幅RGB图像合成为三维彩色全息图像。

目前，三维彩色全息技术在立体电影、电视、展览、显微术、干涉度量学、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、保存珍贵的历史文物、艺术品、信息存储、遥感，研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程（如爆炸和燃烧）等各个方面获得广泛应用。

激光器要求：长相干/窄线宽，高功率/频率/指向稳定性。

常用波长：405nm，457nm，473nm，532nm，589nm，639nm，660nm，671nm，RGB合光等。

十六、短波紫外拉曼

近年来，在激光技术和纳米科技的迅猛发展之下，拉曼光谱呈现显著的上升趋势。短波紫外激光器正在拉曼光谱领域涌现出新应用。短波紫外激光器具有波长短、光子能量大、衍射效应小、分辨能力强、热效应小等优点。同时，短波紫外拉曼光谱解决了拉曼光谱几十年来没有解决的荧光干扰的问题。因为在短波紫外激发下拉曼信号和荧光信号在不同的光谱区域，不会受到干扰。而使用可见激光激发时，拉曼信号和荧光信号往往会重叠在一起，又由于荧光的信号强度是拉曼信号强度所无法比拟的，因此荧光信号会干扰甚至完全湮没拉曼信号。使用短波紫外激光激发时，拉曼信号仍位于靠近激光线附近的位置，而荧光则在较高波长的位置，由此拉曼和荧光信号不再重叠，荧光问题也不复存在。

对于某些特定样品来说，短波紫外激光与样品相互作用的方式与可见激光不同，并且拉曼信号可以通过共振拉曼信号得到增强，在很大程度上扩宽了拉曼光谱在物理、化学、生物、材料等领域中的应用。例如：（1）短波紫外激光在半导体材料中的穿透深度一般在几个纳米的量级，因而短波紫外拉曼可以用来对样品表面的薄层（常见于新型硅基材料SOI材料)进行选择性分析。（2）短波紫外激发也可以与蛋白质、DNA、RNA等生物样品产生特定的共振增强进而对样品的结构进行特定的分析，而使用可见光激发则无法实现。（3）短波紫外拉曼在探测金属中心合成物、富勒分子、联乙醯以及其他的稀有分子上也是一种重要的技术，这些材料对于可见光都有着很强的吸收等。

中科院大连化物所李灿院士课题组采用CNI-261nm短波连续紫外激光器，用于分子筛、杂原子分子筛的结构、合成、催化表征及原位表征研究，并取得重要成果。紧随激光拉曼光谱的发展，李灿院士课题组又进入了生物学领域。而生物学的一个重要特征是研究生物的手性问题，基于紫外拉曼光谱的思路：把常规的可见光移到了紫外区、短波区，移到短波区以后，手性拉曼的灵敏度、信噪比大幅度提升。成功于2017年成功研制第一台短波长手性拉曼光谱仪。

未来，短波紫外激光技术将催生新一代纳米技术、材料科学、生物技术、化学分析、等离子体物理等学科的发展。短波紫外激光到红外激光，光电子技术将成为人类发展的重要基础，而短波紫外激光技术正成为新的研究和应用热点。

主要组成：激光器，光谱仪，拉曼探头等。

激光器要求：窄线宽，高波长稳定性，高光谱纯度。

常用波长：213nm~360nm等。

十七、高精度视觉检测

高精度视觉检测是人工智能正在快速发展的一个分支。简单说来，就是用机器代替人眼来做测量和判断。

高精度视觉检测系统的核心是图像采集和处理。所有信息均来源于图像之中，图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。而光源则是影响整个系统图像水平的重要因素，因为它直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果。通过合适的光源及光学系统设计，使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。

在国外，高精度视觉检测的应用相当普及，主要集中在电子、汽车、冶金、食品饮料、零配件装配及制造等行业。高精度视觉检测系统在质量检测的各个方面也已经得到广泛的应用。在国内，这一应用刚刚起步，目前主要集中在制药、印刷、包装、食品饮料等行业，但随着国内制造业的快速发展，对于产品检测和质量的要求不断提高，各行各业对图像和高精度视觉检测技术的工业自动需求将越来越大，因此该技术在未来制造业中将会有巨大的发展空间。

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主要组成：光源，图像摄取装置、图像采集/处理卡、图像处理系统等。

激光器要求：功率密度分布均匀，直线度高，条纹精细，边缘清晰，一字线、网格、多线、十字、多圆环等多种衍射模式可选。

常用波长：405nm-980nm范围，多种波长可选。

十八、激光诱导光谱（LIBS）

激光诱导光谱（LIBS）技术具有无接触式、破坏性小、快速原位远程分析、多元素同时在线监测等特点。

将高峰值功率脉冲激光聚焦到测试位点，当激光脉冲的能量密度大于击穿阈值时，就会在样品表面产生等离子体。等离子体能量衰退过程中产生连续的韧致辐射以及内部元素的离子发射线，通过光谱仪采集光谱发射信号，分析谱图中元素对应的特征峰强度，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。广泛应用于土壤、水及空气等环境污染监测领域，同时在植物学，考古学，工业过程监控和空间探索等方面也有多种应用。

如今，LIBS技术的发展正呈现出突飞猛进的势头，研究热点则主要集中于更高的灵敏度、更高的准确性、更好的选择性、更高的自动化程度、仪器的小型化和智能化等方面。

主要组成：激光器，光学系统，三维自动调节样品台，光谱仪（单通道/多通道），软件分析系统等。

激光器要求：高能量稳定性，小体积，低Jitter值，脉宽ns量级，能量mJ量级。

常用波长：1064nm，532nm，355nm，266nm等。

十九、3D扫描与打印

3D扫描技术：3D激光扫描技术是是测绘领域继“GPS定位技术”后的又一项技术革新。其利用激光扫描系统快速、自动、实时获取目标表面三维数据。近年来，随着扫描设备和应用软件的不断发展与完善，3D扫描技术具有更高的便捷度及测绘精准度。该技术的应用已从初期的测量领域，拓展到工业制造、交通建设、社会治理以及安全监管等多个方面，被广泛认为是“大数据”时代基础数据获取的重要技术之一。

目前我国已经成功的掌握了“机载3D扫描技术”，这标志着我国在3D扫描领域成功跻身国际一流水平。

3D打印技术：3D打印学名增材制造（AM），以计算机三维设计模型为蓝本；通过软件分层离散和数控成型系统；利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。

3D打印的优势和核心在于可以打印任何复杂几何、镂空形状，小批量个性化定制、一体成型等。3D打印的核心技术有FDM熔融层积成型技术、SLA光固化技术、SLS选择性激光烧结技术这三种为常用类型。可以说3D打印在很大程度上颠覆了传统制造行业，是科技时代的产物。

激光器要求：优光束质量，选配扩束器。
常用波长：355nm，360nm，405nm，488nm， 532nm，1064nm等。

二十、星载激光雷达

    激光雷达是以激光作为载波，以光电探测器为接受器件，以光学望远镜为天线的雷达。利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。激光雷达相较于传统雷达，以精准的空间分辨率、精确的时间分辨率、超远的探测距离等特点成为了先进的主动遥感工具。

    目前，世界上主要的空间大国都在开展星载激光雷达的研究。与机载激光雷达相比，星载激光雷达具有许多不可替代的优势。星载激光雷达采用卫星平台，运行轨道高、观测范围广、可以触及世界的每一个角落，为三维控制点和数字地面模型获取提供了新的途径，对于科学研究具有十分重大的意义。

上海光机所研制的星载激光雷达系统是我国首颗星载激光雷达基本载核系统。采用3波长体制、5通道探测：1572nm-1通道，532nm3通道，1064nm1通道，可以实现对二氧化碳的浓度，气溶胶、云的偏振等特性的探测。其整体设计性能指标优于国外同类产品，实现从跟跑到领跑的跨越。

    星载激光雷达的迅速发展，体现出这个新兴探测方式所具有的独特潜力。研究和解决星载激光雷达的关键技术，建立起自己的星载激光雷达系统。将为我国的天体观察、地形地貌测量、海洋科学以及空间探测等科学研究提供必要的手段，具有重要的科学和应用价值，是提升我国空间科研水平和综合国力强有力的保障。

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主要组成：激光器，发射系统，接收系统，信息处理等。

激光器要求：窄脉宽，高光束质量，高波长、能量稳定性、高偏振比，高单脉冲能量。

常用波长：1572nm, 1550nm, 1064nm, 532nm, 355nm, 266nm等。

二十一、激光粒度分析

激光粒度分析是一种新型的颗粒测量技术，结合了激光技术、光电技术、精密机械和计算机技术。具有响应速度快、测试范围宽、重复性好等特点。不仅可以测量固体颗粒还可以测量液体颗粒，可测量到微米甚至纳米级的颗粒大小。

激光束照射到颗粒上发生衍射，衍射后激光会偏移原有的传播路径；根据Furanhofer衍射理论，颗粒越大偏移量越大，经过聚焦镜聚焦到后焦平面的多元光电探测器，通过探测到衍射光的位置以及强度；再利用Mie散射理论分析出颗粒的大小以及数量。测试过程不受温度变化、介质黏度，试样密度及表面状态等诸多因素的影响，只要将待测样品均匀地展现于激光束中，即可获得准确的测试结果。目前激光粒度分析技术已广泛应用于粉末冶金、薄膜分析、海洋分析、环境检测等领域。

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主要组成：激光器，分散系统，光路系统等。

激光器要求：高功率稳定性，高重复性，优光束质量，环境适应性强，波长越短测量精度越高，可配光学平台使用保证光路的稳定。

常用波长：532nm，633nm（可替代氦氖激光器）。

未完待续，敬请关注！file:///C:\Users\sale\AppData\Local\Temp\ksohtml6484\wps14.png