對激光的認識

對激光的認識【摘要】激光的最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiatioi的各單詞頭一個字母組成的縮寫詞。意思是“通過受激發(fā)射光擴大”。激光的英文全名已經完全表達了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光'。激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度約為太陽光的100億倍。激光應用很廣泛，主要有激光打標、光纖通信、激光光譜、激光測距、激光雷達、激光切割、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器等等。【關鍵詞】激光發(fā)展歷程特性安全現(xiàn)狀【起源及產生】激光的原理早在1916年已被著名的美國物理學家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但直到1960年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準備和生產實踐迫切需要的背景下應運而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，而且導致整個一門新興產業(yè)的出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所未有的先進方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進了生產力的發(fā)展。激光的理論基礎起源于大物理學家'愛因斯坦’，1917年愛因斯坦提出了一套全新的技術理論'光與物質相互作用’。這一理論是說在組成物質的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個弱光激發(fā)出一個強光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1,E2和E1能級上的布居數(shù)密度為N2和N1，在兩能級間存在著自發(fā)發(fā)射躍遷、受激發(fā)射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發(fā)射躍遷所產生的受激發(fā)射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發(fā)下產生的受激發(fā)射光是相干的。受激發(fā)射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場的單色能量密度。當兩個能級的統(tǒng)計權重相等時，兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2VN1，所以受激吸收躍遷占優(yōu)勢，光通過物質時通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵可以破壞熱平衡而使N2>N1,這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉狀態(tài)。在這種情況下，受激發(fā)射躍遷占優(yōu)勢。光通過一段長為l的處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的激光工作物質（激活物質）后，光強增大eGl倍。G為正比于（N2-N1）的系數(shù)，稱為增益系數(shù)，其大小還與激光工作物質的性質和光波頻率有關。一段激活物質就是一個激光放大器。如果，把一段激活物質放在兩個互相平行的反射鏡（其中至少有一個是部分透射的）構成的光學諧振腔中，處于高能級的粒子會產生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內往返傳播,當它在激光物質中傳播時，光強不斷增長。如果諧振腔內單程小信號增益G0l大于單程損耗S（G0l是小信號增益系數(shù)），則可產生自激振蕩。原子的運動狀態(tài)可以分為不同的能級，當原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的光子（所謂自發(fā)輻射）。同樣的，當一個光子入射到一個能級系統(tǒng)并為之吸收的話，會導致原子從低能級向高能級躍遷（所謂受激吸收）；然后，部分躍遷到高能級的原子又會躍遷到低能級并釋放出光子（所謂受激輻射）。這些運動不是孤立的，而往往是同時進行的。當我們創(chuàng)造一種條件，譬如采用適當?shù)拿劫|、共振腔、足夠的外部電場，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，那么總體而言，就會有光子射出，從而產生激光。1917年：愛因斯坦提出“受激發(fā)射”理論，一個光子使得受激原子發(fā)出一個相同的光子?！景l(fā)展歷史】1953年：美國物理學家CharlesTownes用微波實現(xiàn)了激光器的前身：微波受激發(fā)射放大（英文首字母縮寫maser）。1957年：Townes的博士生GordonGould創(chuàng)造了“l(fā)aser”這個單詞，從理論上指出可以用光激發(fā)原子，產生一束相干光束，之后人們?yōu)槠渖暾埩藢＠?，相關法律糾紛維持了近30年。1960年：美國加州Hughes實驗室的TheodoreMaiman實現(xiàn)了第一束激光。1961年：激光首次在外科手術中用于殺滅視網(wǎng)膜腫瘤。1962年：發(fā)明半導體二極管激光器，這是今天小型商用激光器的支柱。1969年：激光用于遙感勘測，激光被射向阿波羅11號放在月球表面的反射器，測得的地月距離誤差在幾米范圍內。1971年：激光進入藝術世界，用于舞臺光影效果，以及激光全息攝像。英國籍匈牙利裔物理學家DennisGabor憑借對全息攝像的研究獲得諾貝爾獎。1974年：第一個超市條形碼掃描器出現(xiàn)。1975年：IBM投放第一臺商用激光打印機。1978年：飛利浦制造出第一臺激光盤（LD）播放機，不過價格很高。1982年：第一臺緊湊碟片（CD）播放機出現(xiàn)，第一部CD盤是美國歌手BillyJoel在1978年的專輯52ndStreet。1983年：里根總統(tǒng)發(fā)表了“星球大戰(zhàn)”的演講，描繪了基于太空的激光武器。1988年：北美和歐洲間架設了第一根光纖，用光脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。1990年：激光用于制造業(yè)，包括集成電路和汽車制造。1991年：第一次用激光治療近視，海灣戰(zhàn)爭中第一次用激光制導導彈。1996年：東芝推出數(shù)字多用途光盤（DVD）播放器。2008年：法國神經外科學家使用廣導纖維激光和微創(chuàng)手術技術治療了腦瘤。2010年：美國國家核安全管理局（NNSA）表示，通過使用192束激光來束縛核聚變的反應原料、氫的同位素氘（質量數(shù)2）和氤（質量數(shù)3），解決了核聚變的一個關鍵困難?！咎攸c】激光的高亮度：固體激光器的亮度更可高達1011W/cm2Sr。不僅如此，具有高亮度的激光束經透鏡聚焦后，能在焦點附近產生數(shù)千度乃至上萬度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地傳遞較長的距離的同時，還能保證聚焦得到極高的功率密度，這兩點都是激光加工的重要條件。激光的高單色性：由于激光的單色性極高，從而保證了光束能精確地聚焦到焦點上，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個部分的相位關系。正是激光具有如上所述的奇異特性因此在工業(yè)加工中得到了廣泛地應用。激光能量極大：用它可以容易地在鋼板上打洞或切割。在工業(yè)生產中，利用激光高能量特點已成功地進行了激光打孔、切割和焊接。在醫(yī)學上、利用激光的高能量可使剝離視網(wǎng)膜凝結和進行外科手術。在軍事領域，激光能量提高，可以制成摧毀敵機和導彈的光武器。【應用】激光應用很廣泛，主要有光纖通信、激光光譜、激光測距、激光雷達、激光切割、激光唱片、激光掃描、激光滅蚊器等等。一些其他用途有：醫(yī)學：無血手術，激光治療，手術治療，腎結石治療，激光矯視，牙科。工業(yè):切割，焊接，材料熱處理，打標記，非接觸性測量。軍事：目標標記，彈藥制導，導彈防御，激光武器。司法：指紋探測?？蒲校汗庾V學。生產/商業(yè)應用:激光打印機，光盤，條碼掃描儀,激光指示器。激光燈光顯示:激光燈光秀。美容手術皮膚治療：激光美容。建筑:準持，量測?！景踩浴考词故堑?級的激光也被認為有潛在性的危險。西奧多?梅曼創(chuàng)造的第一個激光器只有”吉列”的功率，它只能灼熱吉列刮胡刀的刀片。但是，幾毫瓦的低功率照射，都足以危害到人眼的視力。如果該激光的波長在眼角膜和透鏡可以良好聚焦在視網(wǎng)膜的范圍內，就意味著這種相干性低的發(fā)散的激光會被眼睛聚焦在視網(wǎng)膜上極小的區(qū)域，只要幾秒鐘或更短的時間，就會造成視網(wǎng)膜局部的燒灼和永久性的傷害。激光器通常都會標示有著安全等級編號的激光警示標簽：第1級(ClassI/1)：在裝置內是安全的。通常是因為光束被完全的封閉在內，例如在CD播放器內。第2級(ClassII/2):在正常使用狀況下是安全的，眼睛的眨眼反射可以避免受到傷害。這類設備通常功率低于1mW，例如激光指示器。第3a/R級(ClassIIIa/3R):功率通常會達到5mW，并且在眨眼反射的時間內會有對眼睛造成傷害的小風險。注視這種光束幾秒鐘會對視網(wǎng)膜造成立即的傷害。第3b/B級(ClassIIIb/3B):在暴露下會對眼睛造成立即的損傷。第4級(ClassIV/4)：激光會燒灼皮膚，在某些情況下，即使散射的激光也會對眼睛和皮膚造成傷害。許多工業(yè)和科學用的激光都屬于這一級。這種標示的功率是針對可見光和連續(xù)波長的激光，對脈沖激光和不可見光激光還有其它適用的限制。對使用第3B級和第4級激光工作的人，還需要可以吸收特定波長光的護目鏡保護他們眼睛的安全?！局袊l(fā)展現(xiàn)狀】我國激光技術研究與國外同時起步，是當時與國外技術差距最小的高科技領域。在國家“六五”至“十一五”科技項目的支持下，逐步形成了以華中科技大學和中科院四大光機為典型代表的研究機構，在激光器的一些核心技術研發(fā)上已形成較全面的技術成果，形成了5個國家級的激光技術研究中心。其中，激光技術國家重點實驗室、激光加工國家工程研究中心、武漢光電國家實驗室(籌)和最早開設激光學科的華中科技大學均坐落在武漢，成為我國激光技術的發(fā)源地。我國激光加工產業(yè)一直呈指數(shù)增長，目前我國已經形成華中、長三角、環(huán)渤海四大激光產業(yè)帶，有21個省市、地區(qū)生產和銷售激光設備，常年有定型產品生產和銷售，并形成一定規(guī)模的企業(yè)有200家左右，以激光產品為主業(yè)的上市公司有兩家。2008年全國激光產業(yè)銷售總額達到了80億元。中國工業(yè)激光的發(fā)展也正在緊跟國際發(fā)展的趨勢，主要體現(xiàn)在：（1）通過上市融資，龍頭企業(yè)正在形成中國第一個以工業(yè)激光為主打產品的上市公司是華工科技股份責任公司，2005年深圳大族激光公司緊跟著成為第二家工業(yè)激光上市企業(yè)。華工科技以生產高端的激光工業(yè)設備為主，大族激光以生產量大面廣的低端激光工業(yè)設備為主。但大族激光通過2008年再次融資9億元，目前正在向高端激光工業(yè)設備進軍。2009年華工科技股份責任公司也實現(xiàn)了再次融資4.58億元，將主要投向5個項目：高檔數(shù)控等離子切割機生產線建設項目、先進固體激光器產業(yè)化項目、激光特種制造裝備、半導體材料激光精密制造裝備以及激光加工工藝研發(fā)中心建設項目。（2）走國際合作道路和引進高層次人才，核心競爭力正在形成為應對市場競爭，中國工業(yè)激光企業(yè)必須形成自己的核心競爭力，以抗衡國外激光工業(yè)設備大量進入中國的現(xiàn)狀。深圳大族激光公司正在建設激光研究院，聘請國內外知名激光專家進行研究工作，并聘用了曾在德國Rofin公司長期工作的呂啟濤博士為公司的技術老總。華工科技公司也引進了閻大鵬博士，開發(fā)生產出了光纖激光器。武漢法利萊激光公司收購了澳大利亞激光企業(yè)，提升了激光切割機的技術水平。武漢華俄激光公司引進了俄羅斯的固體激光切割機技術，在國內首次成立了中俄合資的激光公司。（3） 國民經濟支柱行業(yè)正在加大使用激光制造設備的力度武漢鋼鐵公司正在建設“激光加工工藝研究中心”，并與激光企業(yè)聯(lián)合開發(fā)激光冷軋板拼焊設備、東風汽車公司越來越重視轎車車身的激光焊接、南車集團也開始將激光設備用于火車制造、武昌造船廠已購買多臺激光切割機。（4） 中國激光產業(yè)鏈正在形成隨著市場的不斷擴大，中國激光企業(yè)正在尋求自身的定位，逐步在形成產業(yè)鏈。如北京卓立漢光專門生產激光調節(jié)支架、廣東許多中小企業(yè)專門生產激光設備的機箱、河南南陽生產氣體激光器的風機、湖北老河口生產大型激光工作臺、成都東駿激光公司專門生產固體激光晶體。（5）新一代工業(yè)激光器正在受到激光企業(yè)的重視為在競爭中立于不敗之地，國內龍頭企業(yè)正在開發(fā)新一代工業(yè)激光器及其應用裝備：光纖激光器、紫外激光器及其精密加工設備、大功率半導體激光器及其焊接、熱處理設備、高功率碟片激光器及其焊接設備、高功率氣體激光器及其切焊組合設備等?？傊S著中國由制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉變，激光加工技術越來越受到制造業(yè)的重視，國內大型、重型企業(yè)也越來越關注激光加工設備的進展，中國激光加工行業(yè)的明天一定非常光明。【總結】激光技術的出現(xiàn)，不但促進了應用技術學科的發(fā)展，而且還將極大地促進現(xiàn)代物理學、化學、天文學、宇宙科學、生物學和醫(yī)學等一系列