激光的发展及应用

1、激光的发展及应用1激光的诞生伟大的科学家A爱因斯坦早在1916年发表了一篇综述量子论发展成就的论文一一关于辐射的量子理论，其中提出了受激发射的概念，为激光技术提供了理论基础20世纪40年代末、50年代初，人们在研究微波波谱学时注意到利用物质体系特定能级间粒子数分布的反转和相应的受激辐射过程，对人射的微波电磁辐射信号进行相干放大的可能在此设想的启发下，美国和苏联两国科学家分别在1954年前后研制成一批微波激射器(简称MASER)很自然地，人们想到用相同原理推广到电磁波谱的光频波段，以产生强的相干光辐射1958年，美国物理学家A肖洛和C汤斯在物理评论杂志上发表题为红外与光学激射器的论文，提出了研制

2、激光器的可能性和有关条件的设想苏联科学家普罗霍洛夫及巴索夫也在同时提出了类似的设想于是，许多国家的科学家竞相研制激光器1960年7月7日，当时在美国休斯飞机公司实验室工作的T梅曼博士，在纽约Delmonico饭店宣布他于5月15日研制成了红宝石激光器这是世界上第一束激光这台输出功率仅几瓦的器件立即在科学界引起了极为强烈的反响，并吸引了各国政府、军方和社会各界的广泛关注激光的诞生意味着光学科学的一场革命激光在很大范围内改变了可用的物理量比如，激光的亮度比普通强光源还要高20个量级;其光波段可包括红外、可见光、紫外直至X射线波段在如此广阔的波段内有了相干辐射源，不仅可以做过去想做而做不到的许多事，

3、而且还可以做过去根本没有想过的许多事第一台红宝石激光器诞生之后，有关研究工作在两个方面迅速展开一方面是积极探索应用其它工作物质的激光器在短短几个月里，各种不同工作物质的激光器像雨后春笋般地冒了出来，如有:1960年12月，掺铀的氟化钙激光器，波长25m;1961年1月，掺钐的氯化钙激光器，波长708nm;1961年2月，波长7009nm的红宝石激光器(第一台红宝石激光器波长为6943nm);1961年5月，氯化钡激光器，波长26m不久，第一台气体激光器一一氦氖激光器、第一台半导体激光器一一同质结砷化镓激光器等亦相继问世另一方面是广泛开展激光的应用研究并初见成效比如用红宝石激光器输出的脉冲激光在

4、钟表轴承(碰巧也是红宝石晶体)上打孔，工效比传统工艺提高成千上万倍;用激光脉冲焊接已脱落的人眼视网膜，立即恢复视力，既无痛苦又节省费用除了五花八门的中小应用之外，美、苏、西欧、日本等发达国家还制订专项计划，投以巨资，开始研制以核聚变为目标的大型高功率激光系统和以激光武器特别是反导弹武器为背景的高能量激光器系统激光的诞生为人类增添了认识世界和改造世界的崭新手段，对当代信息社会产生了并将继续产生重大而深刻的影响2激光的应用和影晌激光的应用很广，影响深远从激光诞生40年的发展，择其主要的来讲，大致可以概括为以下几个方面21科研的得力助手激光技术广泛用于科研各领域，成为科研人员的得力助手光谱分析是研究

5、物质结构的重要手段。激光引人光谱分析后，至少从5个方面扩展和增强了光谱分析能力:分析的灵敏度大幅度提高;光谱分辨率达到超精细程度;可进行超快(10100fs量级)光谱分析;把相干性和非线性引人光谱分析;光谱分析用的光源波长可调谐自从激光引人之后，先进的光谱分析已经激光化了计量基准引人激光技术1889年国际计量大会将米原器定为长度基准;1960年改为Kr一86灯，精度提高100倍;1983年又改为稳频激光器的频率(共8种)，精度再提高一倍目前正在研究用激光来定义时间单位一一-秒和质量自然基准，还有可能用激光技术来定义温度、光度等物理量的基准超远程高精度激光测距对天文学、地学作出了重要贡献已建立全

6、球和区域人造地球卫星观测网和月面观测站利用高精度测距仪，对人卫的观测距离从几千Km至210Km，测距精度达13cm，已积累了大量数据，用于改进地球重力场模型，研究地球大陆板块漂移、极移、固体潮，还用于研究宇宙膨胀过程中内在重力是否减弱;对月球表面由宇宙飞船登月时放置的角反射器阵的观测数据已用于研究月球轨道的微小变动及其对地球的影响这些研究有助于精确守时和惯性导航以及确证广义相对论美、德等国正在建造长基线(34Km)激光干涉仪以验证爱因斯坦早就预言过的引力波的存在此外，高功率超短脉冲激光经聚焦后的强度可达1010W/cm，其场强大于原子的库仑场强，这可能引发一系列未曾有过的物理现象;激光诱导化学

7、反应，可以加速某些化学反应过程并实现某些从未有过的化学反应;共焦激光扫描显微镜可以看清活细胞的断层图像;激光慑子可用于改造细胞，也可用于搬运极微小的物体;激光雷达已用于监视和研究气象及环境污染，等等22新学科的源泉自从激光诞生之后，一批新学科随之诞生，而一批原有学科也得到蓬勃发展非线性光学现象虽然早就被发现，但是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科是从激光出现后才开始的激光的介入，迅速出现大量非线性光学效应，如光学谐波(二倍频和高次倍频)、光学和频与差频、光参量振荡与放大、多光子吸收、光束自聚焦、受激光散射、非线性光谱效应、瞬态相干效应、光致击穿等等;非线性光学效应研究从固体扩展到气体、原子

8、蒸气、液体、液晶等各类材料，由二阶效应发展到三阶、五阶以至更高阶效应，而时间范畴则从ns发展到ps、fs领域同时，研制出各种非线性晶体、有机非线性材料和非线性光学元器件全息术是1947年D伽柏为了提高电子显微镜分辨率而提出的设想，并于次年用隶灯首次获得了全息图及其再现像，1971年为此获得诺贝尔物理学奖然而，由于光源相干性的限制，全息术在50年代进入低潮激光的出现为全息术的发展开辟了广阔前景，如今全息术已在三维图像存储和再现、防伪、检测、干涉量度等领域广泛应用，全息存储也呈现美好前景，全息光学元件被广泛使用激光光谱学使光谱学发生革命性变化，对光物理、光化学产生了深远影响激光医学和激光生物学已取

9、得不少成果，发展势头很好此外，用fs超短脉冲对化学变化进行研究的超快化学等新的学科分支正在发展23信息的理想载体光波以其极高的频率作为信息载体是最理想的频段激光作为光波段的相干辐射源就理所当然地成为信息的理想载体从理论上讲，通信频道所能承载的信息量大致同其频率成正比，在400700nm可见光波段可以容纳810个电视频道实际上，光纤通信自1970年第一次试验至今几乎已经覆盖了全球，成为因特互联网的主要支撑技术之一光盘已成为重要的存储介质一张CD-R0M光盘可存310个汉字，比72卷本中国大百科全书(1210多个汉字)的信息量还要大CD，VCD和DVD等光盘早已进入千家万户激光照排、激光分色、激光

10、打印等技术带来了出版印刷业的革命和办公自动化以激光为识别光源的条码已广泛用于商品、邮件、图书、档案的管理，显著提高了工作效率24生产的高效工具激光加工、准直和检测已经普及，大大提高了生产效率、产品质量，节约了原材料和动力消耗在汽车工业、机械工业、造船工业和电子工业中，激光打孔、切割、划片、焊接、集成电路的封装、阻值微调、芯片清洁、汽车车身钢板表面的毛化、汽缸内壁表面改性等等都已经离不开激光激光准直已普遍用于建筑施工、矿山巷道掘进、大型设备安装和农田水利建设激光检测有的用于在线检测，控制产品尺寸、精确定位或控制液面高度;有的用于成品的无损探伤;有的用于检测精密光学、机械零件的表面光洁度、平整度和

11、曲率半径:有的用于控制药品质量;有的用于检测高压电力线的电流;有的用于危险物质泄漏的监测25医疗的便利设备激光治疗几乎遍及眼科、皮肤科、妇科、肛肠科及上消化道、泌尿科、心血管、骨科、牙科等专科医学界和政府主管部门对医用激光设备审查控制很严，在此前提下，目前还是批准了许多激光设备用于临床，有的已作为常规治疗手段大多数激光治疗的疗程短，患者元痛苦或痛苦少，操作方便，费用省，受到广大患者和医生的欢迎26作战的利器激光技术已渗透到各种武器平台，成为高技术局部战争的重要支柱和显著特征激光制导和激光测距极大地提高了炮弹、炸弹和战术导弹的首发命中率和命中精度;激光引信提高了弹头的破坏力和抗干扰性;光纤通信和

12、激光大气通信是军事指挥控制通信网的重要组成部分;武器平台内部的光纤数据总线既有强的抗干扰能力又无电磁波泄漏激光武器被认为是反导弹、反卫星的最佳选择之一，目前几个强国正投巨资竞相研制，包括车载、船载、机载和星载激光武器都在加紧研制以上列举了激光的许多重要应用，从中可以发现一个共同特点，即激光在大部分(不是全部)应用中扮演着“赋能技术(enablingtechnolo-gy)的作用它在设备或系统中在技术上起关键性、决定性作用，没有它是不行的，但在设备或系统的成本上却不一定占很大比例比如激光制导炸弹，激光好像眼睛，保证炸弹命中目标，但炸毁目标则不是激光的事3激光在中国激光在中国从开始就受到党中央和国

13、务院的高度重视，激光科研成就受到国际同行高度评价中国的第一台激光器，也是红宝石激光器，1961年9月诞生于中科院长春光机所几年之内，有关大学、研究所和个别工厂纷纷开展激光研究，形成了一支几千人的科研队伍尽管受到10年动乱的严重冲击，1978年全国科技大会时仍有约80项激光科研成果获大会奖励1986年开始的“863计划将激光技术列为6大高技术领域之一，而且在信息技术领域中激光亦占一定份额同时，自“六五，计划以来，国家每个五年计划均把激光列入“攻关计划;国家自然科学基金、国防预研计划、若干部门和地方有关计划亦支持了不少激光科研项目改革开放以来，不仅加强了国际科技交流与合作，而且以市场为导向的激光产

14、业迅速发展，激光产品销售额每年以两位百分数增长，有的产品还进入了国际市场，呈现了良好发展势头将近40年，中国的激光科研取得了大批成果其中重大和重要的成果有:核聚变研究用的一系列大型激光器系统，如1986年建成的神光I号，波长1053m，峰值功率210W，2束，连续运行8年，在前沿物理实验中取得一批国际一流水平的物理成果;1999年建成神光号，1053m，(466)10W，8束;靶场激光测距技术，实现了外弹道测量单站定轨实时输出弹道数据，圆满完成洲际弹道导弹全程试验再入段弹道测量、潜地导弹水下发射初始段弹道测量和通信试验卫星发射初始段弹道测量等重点工程任务;人卫激光测距技术，建成由上海、长春、武

15、汉、北京等观测站组成的中国人卫激光测距网，测程达9000Km(最远20000km)，精度35cm，达国际先进水平，参加国际!联测;靶场测量用红外激光雷达在实用中效果优异;发明了激光汉字照排技术，推广全国甚至出口，为出版印刷技术革命作出重大贡献;两种碘稳频氦氖激光器被国际计量大会采用为长度计量标准;发明了BBO和LB0两种极重要的非线性晶体;发明了大功率氮氛激光器、单纵横稳频Nd:YAG脉冲激光器、高效率窄线宽光参量振荡器等多种激光器在长期科研实践中成长了一批理论基础好、实践经验丰富并富有创造性的激光科技学术带头人，其中近20人成为中科院或工程院院士，一大批年轻科技人才正在茵壮成长同时，近十几年

16、来成立了一批有关激光科技的国家重点实验室、开放实验室、国家工程研究中心和产学研组织，添置了许多先进仪器、设备，科研环境条件大为改善展望未来，中国激光的前途十分光明我们企盼在新千年之初，中国在激光科技中有更多的创新，在激光产品中创出名牌，积极参与国际竞争，发展壮大激光产业，在各领域中更广泛地推广应用激光技术，为发展经济、造福人民、加强国防作出更大贡献激光的奇异性与技术应用激光同原子能、半导体、计算机一起被誉为当代科学技术的四大发明这不仅由于激光具有不寻常的优异特性，而且它在众多领域有着出众的应用随着时间的推移和技术的不断成熟，它将成为21世纪的重要技术，而在众多领域得到更加广泛的应用激光也是光，

17、从本质上说光是电磁波，无论普通光还是激光概不例外但激光不同于普通光之处在于它具有高超的方向性、独特的单色性、巨大的亮度和优异的相干性，被称为21世纪之光方向最单一一束光射出去总是要发散的，如手电筒的光束射出去有很大的发散角，所以在照射目标上形成很大的光斑，普通光中方向性最好的探照灯发散角也在06度左右激光的发散角比探照灯光的发散角小10倍以上红宝石激光发出的光束，在几千里外接收到的光斑也只茶杯口那么大，即使照射在月亮上，其光斑也不过2km而如果普通光探照灯照射月亮(事实上由于普通光强度不足，不可能射到月亮上去)，则光斑直径将达到几万Km，可以覆盖整个月亮由于激光的方向性好，强度大，射程远，所以

18、准确性好颜色最鲜艳为什么大自然如此多彩缤纷?因为太阳光正是如此多彩缤纷在太阳光的照耀下，也就造就了多彩缤纷的大自然太阳光由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七光组成，每一种颜色都有各自的波长，七种不同波长的光混在一起，便成了白色的太阳光雨后，空气中有许多微小水滴，当太阳斜射时，天空往往会出现美丽的彩虹，这同在实验室里让阳光通过三棱镜，投射到屏幕上的七色光一样的道理，都是白色的太阳光经过折射分解后显示出各自的颜色，非常鲜艳绚丽通过实验，已经研制出多种单色光源，如霓虹灯、纳光灯和水银灯等其中同位素氮灯发出的光波长范围在低温下只有00005nm，光波长范围越小，它的颜色越纯，越鲜艳氮氛激光器发出的光波长范围

19、最小可达到一千亿分之几埃，可见激光的波长范围比最好的普通光的波长范围还要小几亿倍，所以激光是世界上颜色最纯彩色最鲜艳的光利用激光所具有的独特单色性，可以做为精确测量长度的“光尺在彩色电视技术中利用红、绿、蓝三色激光为基色可合成各种鲜艳逼真的色彩，应用于激光大屏幕投影电视，其效果将是空前的美妙亮度最高强光的亮度是光源在单位面积上的发光强度亮度的单位是熙提，光源在1平方厘米面积上发光强度为1烛光称为1熙提我们可以把一些光源按亮度大小从小到大排成队:蜡烛、电灯、炭孤灯、超高压水银灯、长孤?灯、高压脉冲？灯和激光器其中长孤？灯被称为人造小太阳，亮度与太阳相当，而高压脉冲?灯更比太阳亮10倍而一支功率只

20、有1毫瓦的氦氖激光器的亮度比太阳高约100倍，更令人惊奇的是一台大型脉冲固体激光器的亮度比太阳表面亮度高10倍，就是100亿倍!如此高的亮度是以往所有光源都望尘莫及的，激光不愧是世界最亮的光源据观测，到现在为止，只有氢弹爆炸的瞬间发出的强烈闪光可以与激光相媲美利用激光的高亮度可以在激光束的焦点产生几千度到几万度的高温，从而可装置成工业上的精密打孔机、切割机、焊接机、手术光刀、衣服剪裁机等一叠厚厚的衣料，只要按程序令激光剪裁机在衣料上走一敞，上百件衣服就剪裁好了难熔金属和非金属在激光束下立即熔化或气化，十分容易加工制造特性最奇异光的相干性是什么意思呢?看来很陌生，其实大家都看到过，或亲自做过实验

21、当你在湖岸上向平静的湖面同时投入两块石头时，以石头的着落点为中心将分别形成两组凹凸相间的同心圆环状水波，两组水波各自独立地从中心开始向外传播，当它们相遇时会发生进一步现象，就是如果两组波峰与波峰相遇，则波浪峰就更高;同样，如果波谷与波谷相遇，则波浪谷就更深，于是湖面波浪起伏将更加剧烈;如果一组波的波峰与另一组波的波谷相遇，则波浪就相互抵消了这就是波的干涉现象光波与水波一样也存在干涉现象，当两列光波相互加强的地方就更加明亮;而在两列光相互削弱的地方就会更加黑暗;当两列光波恰好波峰与波谷相通时，则相互抵消，此处应是全黑的，于是形成明暗相间的鲜明条纹，这就是光的干涉现象并非任何两列光波相遇都可以产生

22、干涉现象，而只有两列光波的频率相同，振动方向相同，振动的步调始终保持一定的关系，才能产生干涉，形成相干波激光有十分好的方向性和单色性，所以它的相干性必定更加好激光的相干性在技术上有十分出色的应用前景全息照相是激光相干性成功应用的例证之一一束激光分为两束，其中一束照射到底片上，称为参考光束，另一束经被拍摄的景物反射后照射到底片上，称为景物光束，两束光在底片上发生相干现象，这样拍摄照片就是全息照相这种照片形象逼真，立体感强，观察者从不同角度会看到不同位置的景物，十分奇妙更令人惊诧的是一张全息照片如果大部分破损了，只剩下一小角，仍然可以重现景物的全貌我们已经了解了激光材料家族和激光的优异特性，现在进

23、一步介绍激光的一些重要应用激光医学与人类健康密切相关的激光医学，正是医学上的创新，把激光技术引人医学，直接为解除人们的病痛作出了出色的贡献通过光学系统，可以把激光束聚成小于1微米的光斑，自然比普通手术刀的锋刃锐利得多了尤其是与光导纤维和内窥镜技术相结合，可以将激光引人体内，在器官内部动手术，而不损伤人体外部现在外科手术中所用的激光刀，就是利用激光束对人体组织作切除、止血、凝固、汽化等手术通过激光器辐射一种波长容易被人体组织吸收的激光束，在人体组织吸收的过程中，将光能转化为热能，破坏病态组织，达到治疗的目的在手术过程中兼有消毒和止血的作用，十分方便可靠激光整容很成攻，激光在切割或汽化创口时，同时

24、可以消灭细菌，伤口不感染，愈合很快激光血管吻合是一项精细的激光手术，也做得很成功在眼科手术中也应用激光技术，例如用激光束封闭视网膜裂孔，治疗糖尿病性眼底出血，以及清除眼底血管瘤等十分有效激光雷达激光雷达与微波雷达比较有许多可贵的优越性，如发射天线小，假定探测月球上1平方千米的区域，用微波雷达，需要装置几千米的天线(目前还无法实现)，而用激光雷达只需直径30厘米的小天线，十分简易;微波雷达只能探查到高大建筑物和山丘，而激光雷达可探测到如电线杆之类的小目标已经先后研制成红宝石、掺铁纪铝石榴石和二氧化碳激光器，用于军事探测、航空导航、环境调查、导弹制导、目标测距、目标识别和跟踪等领域图1为激光雷达接

25、收系统30多年来，在反复的实验中，激光器的性能不断得到改进，一代胜似一代强，呈现持续发展的势头第一代红宝石激光雷达测距机发射的激光是红色可见光，隐蔽性不好，而且使用过程中发现对人的眼睛有损害，耗电大效率低，所以必须寻找新材料以取而代之科学家于是采用铁玻璃或铁纪铝石榴石材料制作激光测距机这两种激光材料发射眼睛看不见的红外光，隐蔽性好，穿透烟雾的能力比红宝石激光器好，战场火炮命中率可高达97%，这是第二代产品但仍有弱点，它发射的红外光波长106微米，这个波长的红外光对人眼睛仍有损伤作用，而且大气雾和战场烟雾对其传输仍有一定影响，这些弱点限制了第二代激光器的实战使用因而研制第三代激光器的任务迫在眉睫

26、为了解决上述两个缺点，科学家们通过不懈努力，反复的研究，终于得出结论:光波长大于140微米的激光对人眼睛基本上无损伤作用实际工作中，第三激光器选用波长为154210微米和106微米的激光材料实验同时表明这些波长的激光对大气雾和战场烟雾有比较强的穿透力科学家在追求完美的进程中终于取得了阶段性的成功这些材料是二氧化碳气体，而玻璃，掺铒路酸钇和掺钬氟化钇锂灯。第三代激光器已经用于炮兵和坦克测距舰载测距和目标指示、靶场测距、人造卫星测距、月球表面和宇宙飞船测距等太空飞船登月计划中，利用大功率脉冲激光和超级光学探测技术，使探测距离精度高达6厘米用激光测距机对卫星的运行轨道进行实测，精度高达4厘米所达到的精确程度之高超，令人惊叹不已全球立体通信网通讯技术是信息时代极其重要的信息传递手段，它的最新发展是光通讯大家知道，有线电通讯和无线电通讯是迄今为止最重要的通讯手段，在这里信息的载体是电磁波，而光通讯的信息载体是光波从本质上说，光波也是电户，只是光放的被长比无线电脱得多，因此匕作为信息的载体速度要快得多空间激光通讯，包括卫星对卫星、飞机对飞机、空间对地面、地面对空间、陆地对海洋(对潜通讯)和以卫星为中心的激光通讯等，形成全球立体通