激光技術(shù)你真的了解嗎

自1960年美國(guó)研制成功世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，我國(guó)也于1961年研制成功國(guó)產(chǎn)首臺(tái)紅寶石激光器（誕生于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所）以來(lái)，激光技術(shù)被認(rèn)為是20世紀(jì)繼量子物理學(xué)、無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、原子能技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)之后的又一重大科學(xué)技術(shù)新成就。

如今，我們家中用的CD和DVD播放器，辦公室的激光打印機(jī)和商場(chǎng)的條碼掃描器都有激光。人們用激光治療近視視力，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送郵件瀏覽視頻。無(wú)論我們是否意識(shí)到，我們每個(gè)人每天都使用激光，但是有多少人真正了解激光是什么，如何工作？

激光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發(fā)出的，具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。

激光的產(chǎn)生機(jī)理可以溯源到1917年愛(ài)因斯坦解釋黑體輻射定律時(shí)提出的假說(shuō)，即光的吸收和發(fā)射可經(jīng)由受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射三種基本過(guò)程。眾所周知，任何一種光源的發(fā)光都與其物質(zhì)內(nèi)部粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

當(dāng)處于低能級(jí)上的粒子（原子、分子或離子）吸收了適當(dāng)頻率外來(lái)能量（光）被激發(fā)而躍遷到相應(yīng)的高能級(jí)上（受激吸收）后，總是力圖躍遷到較低的能級(jí)去，同時(shí)將多余的能量以光子形式釋放出來(lái)。

如果光是在沒(méi)有外來(lái)光子作用下自發(fā)地釋放出來(lái)的（自發(fā)輻射），此時(shí)被釋放的光即為普通的光（如電燈、霓虹燈等），其特點(diǎn)是光的頻率大小、方向和步調(diào)都很不一致。

但如果是在外來(lái)光子直接作用下由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)將多余的能量以光子形式釋放出來(lái)（受激輻射），被釋放的光子則與外來(lái)的入射光子在頻率、位相、傳播方向等方面完全一致，這就意味著外來(lái)光得到了加強(qiáng)，我們稱(chēng)之為光放大。

圖：激光產(chǎn)生機(jī)理：（左）受激吸收，（中）自發(fā)輻射，（右）受激發(fā)射

而激光的產(chǎn)生需要滿(mǎn)足三個(gè)條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、諧振腔反饋和滿(mǎn)足閾值條件。通過(guò)受激吸收，使處于高能級(jí)的粒子數(shù)比處于低能級(jí)的越多（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)），還需要在有源區(qū)兩端制作出能夠反射光子的平行反射面，形成諧振腔，并使增益大于損耗，即相同時(shí)間新產(chǎn)生的光子數(shù)大于散射吸收掉的光子數(shù)。只有滿(mǎn)足了這三個(gè)條件，才有可能產(chǎn)生激光。

激光的特性

激光之所以被譽(yù)為神奇的光，是因?yàn)樗衅胀ü馔耆痪邆涞乃拇筇匦浴?/p>

1.方向性好 ——普通光源（太陽(yáng)、白熾燈或熒光燈）向四面八方發(fā)光，而激光的發(fā)光方向可以限制在小于幾個(gè)毫弧度立體角內(nèi)，這就使得在照射方向上的照度提高千萬(wàn)倍。

激光每200千米擴(kuò)散直徑小于1米，若射到距地球3.8×105km的月球，光束擴(kuò)散不到2千米，而普通探照燈幾千米外就擴(kuò)散到幾十米。

激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測(cè)距就是利用方向性好這一特性。

**2.亮度高 ** ——激光是當(dāng)代最亮的光源，只有氫彈爆炸瞬間強(qiáng)烈的閃光才能與它相比擬。太陽(yáng)光亮度大約是1.865×109cd/m2，而一臺(tái)大功率激光器的輸出光亮度可以高出太陽(yáng)光的亮度7～14個(gè)數(shù)量級(jí)。

盡管激光的總能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小點(diǎn)處產(chǎn)生高壓和幾萬(wàn)攝氏度甚至幾百萬(wàn)攝氏度的高溫。激光打孔、切割、焊接和激光外科手術(shù)等實(shí)際應(yīng)用就是利用了這一特性。

3.單色性好 ——光是一種電磁波。光的顏色取決于它的波長(zhǎng)。普通光源發(fā)出的光通常包含著各種波長(zhǎng)，是各種顏色光的混合。太陽(yáng)光包含紅、登、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的可見(jiàn)光以及紅外光、紫外光等不可見(jiàn)光。

而某種激光的波長(zhǎng)只集中在十分窄的光譜波段或頻率范圍內(nèi)。如氦氖激光的波長(zhǎng)為632.8納米，其波長(zhǎng)變化范圍不到萬(wàn)分之一納米。激光良好的單色性為精密度儀器測(cè)量和激勵(lì)某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了極為有利的手段。

4.相干性好 ——干涉是波動(dòng)現(xiàn)象的一種屬性?；诩す饩哂懈叻较蛐院透邌紊缘奶匦裕厝粫?huì)是相干性極好的光。激光的這一特性使全息照相成為現(xiàn)實(shí)。

激光器的類(lèi)型

在光源中，實(shí)現(xiàn)能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)光放大的前提，也就是產(chǎn)生激光的先決條件。要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需借助外來(lái)光的力量，使大量原來(lái)處于低能級(jí)的粒子躍遷到高能級(jí)上去，這個(gè)過(guò)程我們稱(chēng)之為“激勵(lì)”。

我們通常所說(shuō)的激光器，就是使光源中的粒子受到激勵(lì)而產(chǎn)生受激輻射躍遷，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，然后通過(guò)受激輻射而產(chǎn)生光的放大的裝置。激光器雖然多種多樣，但使命都是通過(guò)激勵(lì)和受激輻射而獲得激光。

因此激光器通常均由激活介質(zhì)（即被激勵(lì)后能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)）、激勵(lì)裝置（即能使激活介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能源，泵浦源）和光諧振腔（即能使光束在其中反復(fù)振蕩和被多次放大的兩塊平面反射鏡）三個(gè)部分組成。

圖：激光器的工作原理

由于我們可以以許多不同的方式激發(fā)許多不同種類(lèi)的原子，我們可以（理論上）制造許多不同種類(lèi)的激光。

激光器有多種分類(lèi)方式，其中最著名的是固體，氣體，液體染料，半導(dǎo)體和光纖激光器。固態(tài)激光器介質(zhì)是類(lèi)似紅寶石棒或其他固體結(jié)晶材料，并且纏繞在其上的閃光管泵送其充滿(mǎn)能量的原子。

為了有效地工作，固體必須摻雜，這是一種用雜質(zhì)離子代替一些原子的過(guò)程，使其具有恰當(dāng)?shù)哪芗?jí)以產(chǎn)生一定精確頻率的激光。

固態(tài)激光器產(chǎn)生高功率光束，通常是非常短的脈沖。相比之下，氣體激光器使用惰性氣體（即所謂的準(zhǔn)分子激光器）或二氧化碳（CO2）作為介質(zhì)的化合物產(chǎn)生連續(xù)的亮光。

CO2激光器功能強(qiáng)大，效率高，常用于工業(yè)切割和焊接。液體染料激光器使用有機(jī)染料分子的溶液作為介質(zhì)，主要優(yōu)點(diǎn)是可用于產(chǎn)生比固態(tài)和氣體激光器更寬的光頻帶，甚至可“調(diào)諧”以產(chǎn)生不同的頻率。

按波長(zhǎng)來(lái)分，覆蓋的波長(zhǎng)范圍包括遠(yuǎn)紅外、紅外、可見(jiàn)光、紫外直到遠(yuǎn)紫外，最近還研制出X射線(xiàn)激光器和正在開(kāi)發(fā)的γ射線(xiàn)光器；

按激勵(lì)方式不同，有光激勵(lì)（光源或紫外光激勵(lì)）、氣體放電激勵(lì)、化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)、核反應(yīng)激勵(lì)等；

按輸出方式不同，有連續(xù)的、單脈沖的、連續(xù)脈沖的和超短脈沖等；

從功率輸出的大小來(lái)看，其中連續(xù)的輸出功率小至微瓦級(jí)，最大可達(dá)兆瓦級(jí)。脈沖輸出的能量可從微焦耳至10萬(wàn)以上焦耳，脈沖寬度由毫秒級(jí)到皮秒級(jí)乃至飛秒級(jí)（1000萬(wàn)億分之一）。

各式各樣激光器滿(mǎn)足不同的應(yīng)用要求。如激光加工和某些軍用激光都要求高功率激光或高能量激光（即所謂強(qiáng)激光）。有的希望脈沖時(shí)間盡量縮短，以從事某些特快過(guò)程的研究。

有的還對(duì)提高光的單色性、改善輸出光的模式、改善光斑的光強(qiáng)分布以及要求波長(zhǎng)可調(diào)等提出了很高的要求。這些要求促使著激光器的研究者不斷探索，從而使激光器的探索深度和應(yīng)用廣度得到前所未有的發(fā)展。

蓬勃發(fā)展的激光應(yīng)用

所謂激光技術(shù)，就是探索開(kāi)發(fā)各種產(chǎn)生激光的方法以及探索應(yīng)用激光的這些特性為人類(lèi)造福的技術(shù)的總稱(chēng)。

50多年來(lái)，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，激光檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線(xiàn)性光學(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1、激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器和光纖放大器是光纖通信的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光不僅單色性和相干性好，而且光波頻率比微波頻率又高萬(wàn)倍，故以激光為傳遞信息的載體，用光纖做信息傳遞線(xiàn)路的光纖通信，不僅通信質(zhì)量好、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上萬(wàn)倍。

利用激光技術(shù)進(jìn)行光存儲(chǔ)，使信息的存儲(chǔ)發(fā)生了革命性的飛躍。一張CD聲頻光盤(pán)的記錄密度相當(dāng)于1000萬(wàn)bit／cm2，可記錄78分鐘的音樂(lè)節(jié)目，比密紋唱片要大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖： CD或DVD播放機(jī)中的光盤(pán)的激光和鏡頭。右下方的小圓是半導(dǎo)體激光二極管，而較大的藍(lán)色圓圈是從激光器從光盤(pán)的光滑表面反射后讀取光的透鏡。

此外，激光打印機(jī)、激光傳真機(jī)、激光照排、激光大屏幕彩色電視、光纖有線(xiàn)電視以及大氣激光通訊等均已得到廣泛應(yīng)用。

2、激光在全息術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

光作為一種波動(dòng)現(xiàn)象，表征它的物理量有波長(zhǎng)（同顏色有關(guān)）、振幅（同光的強(qiáng)弱有關(guān)）和位相（表示波動(dòng)起點(diǎn)同基準(zhǔn)時(shí)間的關(guān)系）。

人們利用感光的照相方法，只能記錄下波長(zhǎng)和振幅，所以無(wú)論照得多么逼真，看照片和看真的景物總是不一樣。

而激光具有高相干性，能獲取干涉波空間包括相位在內(nèi)的全部信息。因此，采用激光進(jìn)行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通過(guò)光的衍射，就能復(fù)現(xiàn)被攝取物體栩栩如生的立體形象。

全息照相具有三維成像的特點(diǎn)，可重復(fù)記錄，而且每一小塊全息底片都能再現(xiàn)物體的完整立體形象，可廣泛用于精密干涉計(jì)量、無(wú)損探傷、全息光彈性、微應(yīng)變分析和振動(dòng)分析等科學(xué)研究。

其中，利用全息干涉術(shù)研究燃?xì)馊紵^(guò)程、機(jī)械件的振動(dòng)模式、蜂窩板結(jié)構(gòu)的粘結(jié)質(zhì)量和汽車(chē)輪胎皮下缺陷檢查等已得到廣泛應(yīng)用。并且，全息照相用作商品和信用卡的防偽標(biāo)記已形成產(chǎn)業(yè)，用全息照相拍攝珍貴藝術(shù)品，不僅欣賞起來(lái)令人如臨其境，而且為藝術(shù)品的修復(fù)提供了可靠而逼真的依據(jù)。正在發(fā)展的全息電視還將為人們?cè)鎏硪环N新的生活享受。

3、激光在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類(lèi)：激光診斷與激光治療，前者是以激光作為信息載體，后者則以激光作為能量載體。

在激光診斷方面，激光可穿透到組織較深的地方進(jìn)行診斷，直接反映組織病況，給醫(yī)生診斷提供了充分依據(jù)。

在激光治療方面，激光技術(shù)已成為臨床治療的有效手段，也成為發(fā)展醫(yī)學(xué)診斷的關(guān)鍵技術(shù)。它解決了醫(yī)學(xué)中的許多難題，例如激光手術(shù)治療切口小，對(duì)組織基本沒(méi)有損害或損害極小，毒副作用反應(yīng)少。

目前，激光臨床應(yīng)用領(lǐng)域包括近視矯正、視網(wǎng)膜修補(bǔ)、蛀牙修復(fù)、分子級(jí)微創(chuàng)手術(shù)等，當(dāng)前激光醫(yī)學(xué)的出色應(yīng)用研究主要表現(xiàn)在以下方面：光動(dòng)力療法治癌；激光治療心血管疾??；準(zhǔn)分子激光角膜成形術(shù)；激光美容術(shù)；激光纖維內(nèi)窺鏡手術(shù)；激光腹腔鏡手術(shù)；激光胸腔鏡手術(shù)；激光關(guān)節(jié)鏡手術(shù)；激光碎石術(shù)；激光外科手術(shù)；激光在吻合術(shù)上的應(yīng)用；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應(yīng)用；弱激光療法等。

目前，激光治療在基礎(chǔ)研究、新技術(shù)開(kāi)發(fā)以及新設(shè)備研制和生產(chǎn)等諸多方面都保持持續(xù)的、強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。

4.激光加工

利用激光的高強(qiáng)度（亮度）聚焦激光束在1 ms內(nèi)能發(fā)射100J的光能量，聚焦起來(lái)足以使材料在短時(shí)間內(nèi)融化或汽化，從而對(duì)不同特性難以加工的材料進(jìn)行加工處理，如：焊接、打孔、切割、熱處理、光刻等。

激光加工具有精度高、畸變小、無(wú)接觸、能量省等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎可以覆蓋整個(gè)機(jī)械制造業(yè)，包括礦山機(jī)械、石油化工、電力、鐵路、汽車(chē)、船舶、冶金、醫(yī)療器械、航空、機(jī)床、發(fā)電、印刷、包裝、模具、制藥等行業(yè)。其中關(guān)鍵零部件和精密設(shè)備的磨損和腐蝕都能很好地利用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行修復(fù)和優(yōu)化，成為化腐朽為神奇的利器。

5.精密測(cè)量

精密測(cè)量是利用了激光單色性好、相干性強(qiáng)、方向性好的特點(diǎn)。相比于其他測(cè)距儀，激光測(cè)距具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，精度高，抗干擾，保密性好，體積小重量輕的優(yōu)點(diǎn)。測(cè)距儀發(fā)出光脈沖，經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反射后，光脈沖回到接收系統(tǒng)，測(cè)量發(fā)射與接收時(shí)間間隔。

激光同時(shí)具有高亮度和高相干性，這使得光的多普勒效應(yīng)能夠在測(cè)速方面得到應(yīng)用。激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。

從工作原理上講，激光雷達(dá)與微波雷達(dá)沒(méi)有根本的區(qū)別：向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別，它在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，也成為環(huán)境監(jiān)測(cè)的有力武器。

此外，引力波的探測(cè)也是利用激光干涉測(cè)量方法，進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測(cè)，觀(guān)測(cè)雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過(guò)程。

激光是20世紀(jì)人類(lèi)最重大的發(fā)明之一，激光技術(shù)的應(yīng)用已廣泛深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)乃至社會(huì)的各個(gè)方面，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步正在起著越來(lái)越重要的作用，正奇跡般地改變著我們的世界。