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2008-11-24 13:11

激光及激光技術(shù)在各行業(yè)運(yùn)用概述

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。物理學(xué)家把產(chǎn)生激光的機(jī)理溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時(shí)提出的假說，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。如果光是在沒有外來光子作用下自發(fā)地釋放出來的（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（受激輻射），被釋放的光子則與外來的入射光子在頻率、位相、傳播方向等方面完全一致，這就意味著外來光得到了加強(qiáng)，我們稱之為光放大。顯然，如果通過受激吸收，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)），這種光的放大現(xiàn)象就越明顯，這時(shí)就有可能形成激光了。

    激光之所以被譽(yù)為神奇的光，是因?yàn)樗衅胀ü馑耆痪邆涞乃拇筇匦浴?nbsp;

    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)（圖8-9），這就使得在照射方向上的照度提高千萬(wàn)倍。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103瓦／（厘米2.球面度），而一臺(tái)大功率激光器的輸出光亮度經(jīng)太陽(yáng)光高出7～14個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣，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)攝氏度高溫。激光打孔、切割、焊接和激光外科手術(shù)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)、紫七種顏色的可見光及紅外光、紫外光等不可見光。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。由于激光的單色性好，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厝幌喔尚詷O好。激光的這一特性使全息照相成為現(xiàn)實(shí)。

    所謂激光技術(shù)，就是探索開發(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造福的技術(shù)的總稱。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)紅寶石激光器以來，激光技術(shù)被認(rèn)為是20世紀(jì)繼量子物理學(xué)、無(wú)線電技術(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。30多年來，激光技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，不僅研制了各個(gè)特色的多種多樣的激光器，而且激光應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，并形成了激光唱盤唱機(jī)、激光醫(yī)療、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新興產(chǎn)業(yè)。激光技術(shù)的飛速發(fā)展，使其成為當(dāng)今新技術(shù)革命的“帶頭技術(shù)”之一。

（二）各式各樣的激光器

    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)，需借助外來光的力量，使大量原來處于低能級(jí)的粒子躍遷到高能級(jí)上去，這個(gè)過程我們稱之為“激勵(lì)”。

    我們通常所說的激光器，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，但使命都是通過激勵(lì)和受激輻射而獲得激光。因此基本組成通常均由激活介質(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）等三個(gè)部分組成。

    經(jīng)過30余年的發(fā)展，各國(guó)開發(fā)出實(shí)用的激光器已超過200種。種類繁多，特點(diǎn)各異，用途也各不相同。激光器有各種不同的分類方法：按工作物質(zhì)來分有氣體、玻璃、晶體、液體、半導(dǎo)體、準(zhǔn)分子等激光器，還有化學(xué)激光器（靠化學(xué)反應(yīng)而形成受激狀態(tài)）和自由電子激光器等；按波長(zhǎng)來分，覆蓋的波長(zhǎng)范圍包括遠(yuǎn)紅外、紅外、可見光、紫外直到遠(yuǎn)紫外，最近還研制出X射線激光器和正在開發(fā)的γ射線光器；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)脈沖的和超短脈沖的，等等；從功率輸出的大小來看，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）。

    上述各式各樣激光器的出現(xiàn)，主要是為了滿足不同的應(yīng)用目的。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）。有的希望脈沖的時(shí)間盡量縮短，以從事某些特快過程的研究。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，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。激光器的應(yīng)用已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，正在奇跡般地改變著我們的世界。

    （三）蓬勃發(fā)展的激光應(yīng)用

    激光不僅是20世紀(jì)內(nèi)人類最重大的發(fā)明之一，而且激光技術(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)人類社會(huì)的進(jìn)步正在起著越來越重要的作用。

    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。一根比頭發(fā)絲還細(xì)的光纖，就可以同時(shí)傳輸上萬(wàn)路電話或成千路電視節(jié)目，從而使通信真正成為通向千家萬(wàn)戶的網(wǎng)絡(luò)新時(shí)代。

    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聲頻光盤的記錄密度相當(dāng)于1000萬(wàn)比特／厘米2，可記錄78分鐘的音樂節(jié)目，比密紋唱片要大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。一張計(jì)算機(jī)用的盤徑為5英寸的CD-ROM，容量可達(dá)650兆比特。一張LD（激光錄像盤），或者近幾年最熱門的VCD（激光視盤，谷稱小影碟），以及繼VCD之后的新一代視盤DVD（數(shù)字視盤），其視像蘊(yùn)含的信號(hào)量比CD又要高千倍，可記錄100分鐘的清晰度很高的影視節(jié)目。CD、VCD和LD不僅已在放像設(shè)備市場(chǎng)占有相當(dāng)大的份額，而且還可以在配有激光驅(qū)動(dòng)器的計(jì)算機(jī)上播放。

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