对激光的认识

对激光的认识【摘要】激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiatioi的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光'。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。激光应用很广泛，主要有激光打标、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。【关键词】激光发展历程特性安全现状【起源及产生】激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，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，从而促进了生产力的发展。激光的理论基础起源于大物理学家'爱因斯坦’，1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论'光与物质相互作用’。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。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，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N2VN1，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N2>N1,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，其大小还与激光工作物质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。如果，把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜（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S（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，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，受激辐射得到放大从而比受激吸收要多，那么总体而言，就会有光子射出，从而产生激光。1917年：爱因斯坦提出“受激发射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。【发展历史】1953年：美国物理学家CharlesTownes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（英文首字母缩写maser）。1957年：Townes的博士生GordonGould创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利，相关法律纠纷维持了近30年。1960年：美国加州Hughes实验室的TheodoreMaiman实现了第一束激光。1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。1971年：激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家DennisGabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。1974年：第一个超市条形码扫描器出现。1975年：IBM投放第一台商用激光打印机。1978年：飞利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机，不过价格很高。1982年：第一台紧凑碟片（CD）播放机出现，第一部CD盘是美国歌手BillyJoel在1978年的专辑52ndStreet。1983年：里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器。1988年：北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造。1991年：第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。1996年：东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器。2008年：法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。2010年：美国国家核安全管理局（NNSA）表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘（质量数2）和氤（质量数3），解决了核聚变的一个关键困难。【特点】激光的高亮度：固体激光器的亮度更可高达1011W/cm2Sr。不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。激光的高单色性：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。激光的高相干性：相干性主要描述光波各个部分的相位关系。正是激光具有如上所述的奇异特性因此在工业加工中得到了广泛地应用。激光能量极大：用它可以容易地在钢板上打洞或切割。在工业生产中，利用激光高能量特点已成功地进行了激光打孔、切割和焊接。在医学上、利用激光的高能量可使剥离视网膜凝结和进行外科手术。在军事领域，激光能量提高，可以制成摧毁敌机和导弹的光武器。【应用】激光应用很广泛，主要有光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光唱片、激光扫描、激光灭蚊器等等。一些其他用途有：医学：无血手术，激光治疗，手术治疗，肾结石治疗，激光矫视，牙科。工业:切割，焊接，材料热处理，打标记，非接触性测量。军事：目标标记，弹药制导，导弹防御，激光武器。司法：指纹探测。科研：光谱学。生产/商业应用:激光打印机，光盘，条码扫描仪,激光指示器。激光灯光显示:激光灯光秀。美容手术皮肤治疗：激光美容。建筑:准持，量测。【安全性】即使是第1级的激光也被认为有潜在性的危险。西奥多・梅曼创造的第一个激光器只有”吉列”的功率，它只能灼热吉列刮胡刀的刀片。但是，几毫瓦的低功率照射，都足以危害到人眼的视力。如果该激光的波长在眼角膜和透镜可以良好聚焦在视网膜的范围内，就意味着这种相干性低的发散的激光会被眼睛聚焦在视网膜上极小的区域，只要几秒钟或更短的时间，就会造成视网膜局部的烧灼和永久性的伤害。激光器通常都会标示有着安全等级编号的激光警示标签：第1级(ClassI/1)：在装置内是安全的。通常是因为光束被完全的封闭在内，例如在CD播放器内。第2级(ClassII/2):在正常使用状况下是安全的，眼睛的眨眼反射可以避免受到伤害。这类设备通常功率低于1mW，例如激光指示器。第3a/R级(ClassIIIa/3R):功率通常会达到5mW，并且在眨眼反射的时间内会有对眼睛造成伤害的小风险。注视这种光束几秒钟会对视网膜造成立即的伤害。第3b/B级(ClassIIIb/3B):在暴露下会对眼睛造成立即的损伤。第4级(ClassIV/4)：激光会烧灼皮肤，在某些情况下，即使散射的激光也会对眼睛和皮肤造成伤害。许多工业和科学用的激光都属于这一级。这种标示的功率是针对可见光和连续波长的激光，对脉冲激光和不可见光激光还有其它适用的限制。对使用第3B级和第4级激光工作的人，还需要可以吸收特定波长光的护目镜保护他们眼睛的安全。【中国发展现状】我国激光技术研究与国外同时起步，是当时与国外技术差距最小的高科技领域。在国家“六五”至“十一五”科技项目的支持下，逐步形成了以华中科技大学和中科院四大光机为典型代表的研究机构，在激光器的一些核心技术研发上已形成较全面的技术成果，形成了5个国家级的激光技术研究中心。其中，激光技术国家重点实验室、激光加工国家工程研究中心、武汉光电国家实验室(筹)和最早开设激光学科的华中科技大学均坐落在武汉，成为我国激光技术的发源地。我国激光加工产业一直呈指数增长，目前我国已经形成华中、长三角、环渤海四大激光产业带，有21个省市、地区生产和销售激光设备，常年有定型产品生产和销售，并形成一定规模的企业有200家左右，以激光产品为主业的上市公司有两家。2008年全国激光产业销售总额达到了80亿元。中国工业激光的发展也正在紧跟国际发展的趋势，主要体现在：（1）通过上市融资，龙头企业正在形成中国第一个以工业激光为主打产品的上市公司是华工科技股份责任公司，2005年深圳大族激光公司紧跟着成为第二家工业激光上市企业。华工科技以生产高端的激光工业设备为主，大族激光以生产量大面广的低端激光工业设备为主。但大族激光通过2008年再次融资9亿元，目前正在向高端激光工业设备进军。2009年华工科技股份责任公司也实现了再次融资4.58亿元，将主要投向5个项目：高档数控等离子切割机生产线建设项目、先进固体激光器产业化项目、激光特种制造装备、半导体材料激光精密制造装备以及激光加工工艺研发中心建设项目。（2）走国际合作道路和引进高层次人才，核心竞争力正在形成为应对市场竞争，中国工业激光企业必须形成自己的核心竞争力，以抗衡国外激光工业设备大量进入中国的现状。深圳大族激光公司正在建设激光研究院，聘请国内外知名激光专家进行研究工作，并聘用了曾在德国Rofin公司长期工作的吕启涛博士为公司的技术老总。华工科技公司也引进了阎大鹏博士，开发生产出了光纤激光器。武汉法利莱激光公司收购了澳大利亚激光企业，提升了激光切割机的技术水平。武汉华俄激光公司引进了俄罗斯的固体激光切割机技术，在国内首次成立了中俄合资的激光公司。（3） 国民经济支柱行业正在加大使用激光制造设备的力度武汉钢铁公司正在建设“激光加工工艺研究中心”，并与激光企业联合开发激光冷轧板拼焊设备、东风汽车公司越来越重视轿车车身的激光焊接、南车集团也开始将激光设备用于火车制造、武昌造船厂已购买多台激光切割机。（4） 中国激光产业链正在形成随着市场的不断扩大，中国激光企业正在寻求自身的定位，逐步在形成产业链。如北京卓立汉光专门生产激光调节支架、广东许多中小企业专门生产激光设备的机箱、河南南阳生产气体激光器的风机、湖北老河口生产大型激光工作台、成都东骏激光公司专门生产固体激光晶体。（5）新一代工业激光器正在受到激光企业的重视为在竞争中立于不败之地，国内龙头企业正在开发新一代工业激光器及其应用装备：光纤激光器、紫外激光器及其精密加工设备、大功率半导体激光器及其焊接、热处理设备、高功率碟片激光器及其焊接设备、高功率气体激光器及其切焊组合设备等。总之，随着中国由制造业大国向制造业强国转变，激光加工技术越来越受到制造业的重视，国内大型、重型企业也越来越关注激光加工设备的进展，中国激光加工行业的明天一定非常光明。【总结】激光技术的出现，不但促进了应用技术学科的发展，而且还将极大地促进现代物理学、化学、天文学、宇宙科学、生物学和医学等一系列