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激光技术
2017-07-24| 文章来源:中科院之声| 【

  原标题:一文看懂激光技术

  导语:自1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器,我国也于1961年研制成功国产首台红宝石激光器(诞生于中国科学院长春光学精密机械研究所)以来,激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。 

  如今,我们家中用的CD和DVD播放器,办公室的激光打印机和商场的条码扫描器都有激光。人们用激光治疗近视视力,通过光纤网络发送邮件浏览视频。无论我们是否意识到,我们每个人每天都使用激光,但是有多少人真正了解激光是什么,如何工作? 

  激光,是一种自然界原本不存在的,因受激而发出的,具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。

  激光的产生机理可以溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说,即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程。众所周知,任何一种光源的发光都与其物质内部粒子的运动状态有关。当处于低能级上的粒子(原子、分子或离子)吸收了适当频率外来能量(光)被激发而跃迁到相应的高能级上(受激吸收)后,总是力图跃迁到较低的能级去,同时将多余的能量以光子形式释放出来。

  如果光是在没有外来光子作用下自发地释放出来的(自发辐射),此时被释放的光即为普通的光(如电灯、霓虹灯等),其特点是光的频率大小、方向和步调都很不一致。

  但如果是在外来光子直接作用下由高能级向低能级跃迁时将多余的能量以光子形式释放出来(受激辐射),被释放的光子则与外来的入射光子在频率、位相、传播方向等方面完全一致,这就意味着外来光得到了加强,我们称之为光放大。

  而激光的产生需要满足三个条件:粒子数反转、谐振腔反馈和满足阈值条件。通过受激吸收,使处于高能级的粒子数比处于低能级的越多(粒子数反转),还需要在有源区两端制作出能够反射光子的平行反射面,形成谐振腔,并使增益大于损耗,即相同时间新产生的光子数大于散射吸收掉的光子数。只有满足了这三个条件,才有可能产生激光。

  激光的特性 

  激光之所以被誉为神奇的光,是因为它有普通光完全不具备的四大特性。

  1.方向性好 ——普通光源(太阳、白炽灯或荧光灯)向四面八方发光,而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内,这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光每200千米扩散直径小于1米,若射到距地球3.8×105km的月球,光束扩散不到2千米,而普通探照灯几千米外就扩散到几十米。

  激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。

  2.亮度高 ——激光是当代最亮的光源,只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是1.865×109cd/m2,而一台大功率激光器的输出光亮度可以高出太阳光的亮度7~14个数量级。

  尽管激光的总能量并不一定很大,但由于能量高度集中,很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度的高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术等实际应用就是利用了这一特性。

  3.单色性好 ——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长,是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光以及红外光、紫外光等不可见光。

  而某种激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米,其波长变化范围不到万分之一纳米。激光良好的单色性为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。

  4.相干性好 ——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性,它必然会是相干性极好的光。激光的这一特性使全息照相成为现实。

  激光器的类型 

  在光源中,实现能级粒子数反转是实现光放大的前提,也就是产生激光的先决条件。要实现粒子数反转,需借助外来光的力量,使大量原来处于低能级的粒子跃迁到高能级上去,这个过程我们称之为“激励”。

  我们通常所说的激光器,就是使光源中的粒子受到激励而产生受激辐射跃迁,实现粒子数反转,然后通过受激辐射而产生光的放大的装置。激光器虽然多种多样,但使命都是通过激励和受激辐射而获得激光。因此激光器通常均由激活介质(即被激励后能产生粒子数反转的工作物质)、激励装置(即能使激活介质发生粒子数反转的能源,泵浦源)和光谐振腔(即能使光束在其中反复振荡和被多次放大的两块平面反射镜)三个部分组成。

  由于我们可以以许多不同的方式激发许多不同种类的原子,我们可以(理论上)制造许多不同种类的激光。

  激光器有多种分类方式,其中最著名的是固体,气体,液体染料,半导体和光纤激光器。固态激光器介质是类似红宝石棒或其他固体结晶材料,并且缠绕在其上的闪光管泵送其充满能量的原子。为了有效地工作,固体必须掺杂,这是一种用杂质离子代替一些原子的过程,使其具有恰当的能级以产生一定精确频率的激光。固态激光器产生高功率光束,通常是非常短的脉冲。相比之下,气体激光器使用惰性气体(即所谓的准分子激光器)或二氧化碳(CO2)作为介质的化合物产生连续的亮光。 CO2激光器功能强大,效率高,常用于工业切割和焊接。液体染料激光器使用有机染料分子的溶液作为介质,主要优点是可用于产生比固态和气体激光器更宽的光频带,甚至可“调谐”以产生不同的频率。

  按波长来分,覆盖的波长范围包括远红外、红外、可见光、紫外直到远紫外,最近还研制出X射线激光器和正在开发的γ射线光器;

  按激励方式不同,有光激励(光源或紫外光激励)、气体放电激励、化学反应激励、核反应激励等;

  按输出方式不同,有连续的、单脉冲的、连续脉冲的和超短脉冲等;

  从功率输出的大小来看,其中连续的输出功率小至微瓦级,最大可达兆瓦级。脉冲输出的能量可从微焦耳至10万以上焦耳,脉冲宽度由毫秒级到皮秒级乃至飞秒级(1000万亿分之一)。

  各式各样激光器满足不同的应用要求。如激光加工和某些军用激光都要求高功率激光或高能量激光(即所谓强激光)。有的希望脉冲时间尽量缩短,以从事某些特快过程的研究。有的还对提高光的单色性、改善输出光的模式、改善光斑的光强分布以及要求波长可调等提出了很高的要求。这些要求促使着激光器的研究者不断探索,从而使激光器的探索深度和应用广度得到前所未有的发展。

  蓬勃发展的激光应用   

  所谓激光技术,就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。

  50多年来,激光技术与应用发展迅猛,已与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如光电技术,激光医疗与光子生物学,激光加工技术,激光检测与计量技术,激光全息技术,激光光谱分析技术,非线性光学,超快激光学,激光化学,量子光学,激光雷达,激光制导,激光分离同位素,激光可控核聚变,激光武器等。这些交叉技术与新的学科的出现,大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。

  1、激光在信息领域的应用  

  半导体激光器和光纤放大器是光纤通信的两项关键技术。

  半导体激光器发出的激光不仅单色性和相干性好,而且光波频率比微波频率又高万倍,故以激光为传递信息的载体,用光纤做信息传递线路的光纤通信,不仅通信质量好、抗干扰能力强、保密性好,而且通信容量比微波通信要提高上万倍。

  利用激光技术进行光存储,使信息的存储发生了革命性的飞跃。一张CD声频光盘的记录密度相当于1000万bit/cm2,可记录78分钟的音乐节目,比密纹唱片要大好几个数量级。

  此外,激光打印机、激光传真机、激光照排、激光大屏幕彩色电视、光纤有线电视以及大气激光通讯等均已得到广泛应用。

  2、激光在全息术领域的应用  

  光作为一种波动现象,表征它的物理量有波长(同颜色有关)、振幅(同光的强弱有关)和位相(表示波动起点同基准时间的关系)。

  人们利用感光的照相方法,只能记录下波长和振幅,所以无论照得多么逼真,看照片和看真的景物总是不一样。

  而激光具有高相干性,能获取干涉波空间包括相位在内的全部信息。因此,采用激光进行全息摄影,被拍物体的全部信息都被记录在底片上,通过光的衍射,就能复现被摄取物体栩栩如生的立体形象。

  全息照相具有三维成像的特点,可重复记录,而且每一小块全息底片都能再现物体的完整立体形象,可广泛用于精密干涉计量、无损探伤、全息光弹性、微应变分析和振动分析等科学研究。

  其中,利用全息干涉术研究燃气燃烧过程、机械件的振动模式、蜂窝板结构的粘结质量和汽车轮胎皮下缺陷检查等已得到广泛应用。并且,全息照相用作商品和信用卡的防伪标记已形成产业,用全息照相拍摄珍贵艺术品,不仅欣赏起来令人如临其境,而且为艺术品的修复提供了可靠而逼真的依据。正在发展的全息电视还将为人们增添一种新的生活享受。

  此外,激光打印机、激光传真机、激光照排、激光大屏幕彩色电视、光纤有线电视以及大气激光通讯等均已得到广泛应用。

  2、激光在全息术领域的应用  

  光作为一种波动现象,表征它的物理量有波长(同颜色有关)、振幅(同光的强弱有关)和位相(表示波动起点同基准时间的关系)。

  人们利用感光的照相方法,只能记录下波长和振幅,所以无论照得多么逼真,看照片和看真的景物总是不一样。

  而激光具有高相干性,能获取干涉波空间包括相位在内的全部信息。因此,采用激光进行全息摄影,被拍物体的全部信息都被记录在底片上,通过光的衍射,就能复现被摄取物体栩栩如生的立体形象。

  全息照相具有三维成像的特点,可重复记录,而且每一小块全息底片都能再现物体的完整立体形象,可广泛用于精密干涉计量、无损探伤、全息光弹性、微应变分析和振动分析等科学研究。

  其中,利用全息干涉术研究燃气燃烧过程、机械件的振动模式、蜂窝板结构的粘结质量和汽车轮胎皮下缺陷检查等已得到广泛应用。并且,全息照相用作商品和信用卡的防伪标记已形成产业,用全息照相拍摄珍贵艺术品,不仅欣赏起来令人如临其境,而且为艺术品的修复提供了可靠而逼真的依据。正在发展的全息电视还将为人们增添一种新的生活享受。

  3、激光在医疗领域的应用  

  激光在医学上的应用分为两大类:激光诊断与激光治疗,前者是以激光作为信息载体,后者则以激光作为能量载体。

  在激光诊断方面,激光可穿透到组织较深的地方进行诊断,直接反映组织病况,给医生诊断提供了充分依据。

  在激光治疗方面,激光技术已成为临床治疗的有效手段,也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题,例如激光手术治疗切口小,对组织基本没有损害或损害极小,毒副作用反应少。目前,激光临床应用领域包括近视矫正、视网膜修补、蛀牙修复、分子级微创手术等,当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面:光动力疗法治癌;激光治疗心血管疾病;准分子激光角膜成形术;激光美容术;激光纤维内窥镜手术;激光腹腔镜手术;激光胸腔镜手术;激光关节镜手术;激光碎石术;激光外科手术;激光在吻合术上的应用;激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用;弱激光疗法等。目前,激光治疗在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。

  4.激光加工  

  利用激光的高强度(亮度)聚焦激光束在1 ms内能发射100J的光能量,聚焦起来足以使材料在短时间内融化或汽化,从而对不同特性难以加工的材料进行加工处理,如:焊接、打孔、切割、热处理、光刻等。

  激光加工具有精度高、畸变小、无接触、能量省等优点,其应用领域几乎可以覆盖整个机械制造业,包括矿山机械、石油化工、电力、铁路、汽车、船舶、冶金、医疗器械、航空、机床、发电、印刷、包装、模具、制药等行业。其中关键零部件和精密设备的磨损和腐蚀都能很好地利用激光熔覆技术进行修复和优化,成为化腐朽为神奇的利器。

  5.精密测量 

  精密测量是利用了激光单色性好、相干性强、方向性好的特点。相比于其他测距仪,激光测距具有探测距离远,精度高,抗干扰,保密性好,体积小重量轻的优点。测距仪发出光脉冲,经被测目标反射后,光脉冲回到接收系统,测量发射与接收时间间隔。

  激光同时具有高亮度和高相干性,这使得光的多普勒效应能够在测速方面得到应用。激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲,激光雷达与微波雷达没有根本的区别:向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别,它在军事领域发挥着重要的作用,也成为环境监测的有力武器。

  此外,引力波的探测也是利用激光干涉测量方法,进行中低频波段引力波的直接探测,观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射,以及其他的宇宙引力波辐射过程。

  激光是20世纪人类最重大的发明之一,激光技术的应用已广泛深入到工业、农业、军事、医学乃至社会的各个方面,对人类社会的进步正在起着越来越重要的作用,正奇迹般地改变着我们的世界。

  来源:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 

 
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