光電子技術(shù)-激光

光子學(xué)在制造科學(xué)技術(shù)的最新記錄激光技術(shù)§1.激光的基本原理§2.激光技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)介§3.激光技術(shù)的前景激光技術(shù)是人類探究自然和改造自然的強(qiáng)有力工具。與電子電力技術(shù)、自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)的完善結(jié)合，激光技術(shù)能夠更好的為人類制造美妙生活。（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的縮寫。1960年，美國(guó)物理學(xué)家梅曼（Maiman）在實(shí)驗(yàn)室中做成了第一臺(tái)紅寶石(Al2O3:Cr)激光器。我國(guó)于1961年研制出第一臺(tái)激光器，從今以后，激光技術(shù)得到了飛快進(jìn)展，引起了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的巨大變化。

“激光”（LASER）一詞是受激輻射光放大40多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，激光檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的消滅，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的進(jìn)展。§1.激光的基本原理按量子力學(xué)原理，原子只能穩(wěn)定地存在于一系列能量不連續(xù)的定態(tài)中，原子能量的任何變化（汲取或輻射）都只能在某兩個(gè)定態(tài)之間進(jìn)行。我們把原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷。光子與物質(zhì)原子相互作用過程中，存在三種類型的躍遷。即：汲取、自發(fā)輻射和受激輻射。E1E3E2受激輻射處于激發(fā)態(tài)的原子，在其發(fā)生自發(fā)輻射前，若受到某一外來光子的作用，而且外來光子的能量恰好滿意，原子就有可能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)E1，同時(shí)放出一個(gè)與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子。如圖所示。這一過程被稱為受激輻射。

Lightorlaser無輻射躍遷E1E2hvE1E2hvhv受激輻射示意圖

這種過程是在外界光子的刺激作用下發(fā)生的，而且受激輻射出的光子，與入射光子具有相同的頻率，相同的初相，相同的傳播方向，相同的偏振態(tài)等。即與外來光子具有完全相同的狀態(tài)。在受激輻射過程中，輸入一個(gè)光子，可以得到兩個(gè)狀態(tài)完全相同光子的輸出。并且這兩個(gè)光子可再作用于其他原子上，產(chǎn)生受激輻射，而獲得大量特征完全相同的光子。這便是受激輻射的光放大。下圖就是受激輻射光放大的示意圖。受激輻射的特點(diǎn)是：hvhvhvhvhvhvhv輸入輸出光放大示意圖產(chǎn)生激光的必要條件（1）選擇具有適當(dāng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)中能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射的發(fā)生制造條件；（2）選擇一個(gè)適當(dāng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔。對(duì)所產(chǎn)生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇，從而產(chǎn)生單向性、單色性、強(qiáng)度等極高的激光束；（3）外部的工作環(huán)境必須滿意肯定的閾值條件，以促成激光的產(chǎn)生。這些閾值條件大體包括：削減損耗，加快抽運(yùn)速度，促進(jìn)（粒子數(shù)）反轉(zhuǎn)等。像工作物質(zhì)的混合比、氣壓、激發(fā)條件、激發(fā)電壓等等。Lightorlaser無輻射躍遷激光器簡(jiǎn)介 目前激光器的種類很多。按工作物質(zhì)的性質(zhì)分類，大體可以分為氣體激光器、固體激光器、液體激光器；按工作方式區(qū)分，又可分為連續(xù)型和脈沖型等。其中每一類激光器又包含了很多不同類型的激光器。按激光器的能量輸出又可以分為大功率激光器和小功率激光器。大功率激光器的輸出功率可達(dá)到兆瓦量級(jí)，而小功率激光器的輸出功率僅有幾個(gè)毫瓦。如前所述的He-Ne激光器屬于小功率、連續(xù)型、原子氣體激光器。紅寶石激光器屬于大功率脈沖型固體材料激光器。激光的特性1.單向性極好：一般光源向四周八方放射能量，其能量分布在全空間4

立體角內(nèi)。而激光則是沿一條直線傳播，能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很小，一般為10-5～10-8球面度。若將激光束射向幾千米以外，光束直徑僅擴(kuò)展為幾個(gè)厘米，而一般探照燈光束直徑則已經(jīng)擴(kuò)展為幾十米。激光的單向性是由受激輻射原理和諧振腔的方向選擇作用所決定的。激光這種良好的單向性可用于定位、測(cè)距、導(dǎo)航等。

2.單色性極強(qiáng)：從一般光源（如鈉燈、汞燈、氪燈等）得到的單色光的譜線寬度約為10-2納米，單色性最好的氪燈（86Kr）的譜線寬度為4.7×10-3納米。而氦氖激光器放射的632.8納米激光的譜線寬度只有10-9納米。若從多模激光束中提取單模激光，再實(shí)行穩(wěn)頻技術(shù)措施，還可以進(jìn)一步提高激光的單色性。利用激光良好的單色特性，可以作為計(jì)量工作的基準(zhǔn)光源。例如，用單色、穩(wěn)頻激光器作為光頻計(jì)時(shí)基準(zhǔn)，它在一年內(nèi)的計(jì)時(shí)誤差不超過1微秒，大大超過原子鐘的計(jì)時(shí)精度。600800400λnm熒光光譜圖普通光源熒光光譜，譜線寬度約為：150nm

3.高亮度：光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時(shí)間內(nèi)沿單位立體角所放射的能量，一般光源的亮度相當(dāng)?shù)停?，太陽表面的亮度比蠟燭大30萬倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺(tái)一般的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。激光器的輸出功率并不肯定很高，但由于光束很細(xì)，光脈沖窄，光功率密度卻格外大。理想鎖?？色@得窄脈沖激光由于激光光源使光能量在時(shí)間和空間上高度集中，因此，能在直徑微小的區(qū)域內(nèi)（10-3毫米）產(chǎn)生幾百萬度的高溫。從一個(gè)功率為1kw的CO2激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過聚焦以后，在幾秒鐘內(nèi)就可以將5cm厚的鋼板燒穿。工業(yè)上利用激光高亮度的特性，在金屬鉆孔、焊接、切割、表面熱處理、表面氧化等方面的應(yīng)用近年來有很大的進(jìn)展。4.相干性好：一般光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長(zhǎng)度只有幾個(gè)厘米，而激光的相干長(zhǎng)度則可以達(dá)到幾十公里，比一般光源大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此也可以說激光具有格外好的相干性。用激光做光源進(jìn)行光的干涉、衍射實(shí)驗(yàn)，可以得到格外好的效果。另外，激光問世以來，推動(dòng)了全息光學(xué)技術(shù)、激光光譜技術(shù)的進(jìn)展。由于激光具有上述這些良好的特性，從而突破了傳統(tǒng)光源的種種局限性，引起了現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命性進(jìn)展。同時(shí)促進(jìn)了包括化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工與檢測(cè)技術(shù)、軍事等科學(xué)的飛快進(jìn)展。激光技術(shù)的應(yīng)用涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門學(xué)科，主要分為以下幾類：

1.激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、掌握系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)。

2.激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝?！?.激光技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)介

2.1激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG(釔鋁石榴石)激光器，CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。

2.2激光切割：汽車行業(yè)、計(jì)算機(jī)、電氣機(jī)殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機(jī)件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。

2.3激光打標(biāo)：在各種材料和幾乎全部行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。

2.4激光打孔：激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的飛快進(jìn)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國(guó)內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機(jī)葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準(zhǔn)分子激光器、同位素激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。

3.激光熱處理：在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時(shí)在航空航天、機(jī)床行業(yè)和其它機(jī)械行業(yè)也應(yīng)用廣泛。我國(guó)的激光熱處理應(yīng)用遠(yuǎn)比國(guó)外廣泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器為主。

4.激光快速成型：將激光加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合而形成。多用于模具和模型行業(yè)。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主。

5.激光涂敷：在航空航天、模具及機(jī)電行業(yè)應(yīng)用廣泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主。

6.激光化學(xué)：傳統(tǒng)的化學(xué)過程，一般是把反應(yīng)物混合在一起，然后往往需要加熱(或者還要加壓)。加熱的缺點(diǎn)，在于分子因增加能量而產(chǎn)生不規(guī)章運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)破壞原有的化學(xué)鍵，結(jié)合成新的鍵，而這些不規(guī)章運(yùn)動(dòng)破壞或產(chǎn)生的鍵，有時(shí)會(huì)阻礙預(yù)期的化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

但是如果用激光來指揮化學(xué)反應(yīng)，不僅能克服上述不規(guī)章運(yùn)動(dòng)，而且還能獲得更大的好處。這是由于激光攜帶著高度集中而均勻的能量，可精確地打在分子的鍵上，比如利用不同波長(zhǎng)的紫外激光，打在硫化氫等分子上，轉(zhuǎn)變兩激光束的相位差，則掌握了該分子的斷裂過程。也可利用轉(zhuǎn)變激光脈沖波形的方法，十分精確和有效地把能量打在分子身上，觸發(fā)某種預(yù)期的反應(yīng)。

激光化學(xué)的應(yīng)用格外廣泛。制藥工業(yè)是第一個(gè)得益的領(lǐng)域。應(yīng)用激光化學(xué)技術(shù)，不僅能加速藥物的合成，而又可把不需要的副產(chǎn)品剔在一旁，使得某些藥物變得更平安牢靠，價(jià)格也可降低一些。又如，利用激光掌握半導(dǎo)體，就可改進(jìn)新的光學(xué)開關(guān)，從而改進(jìn)電腦和通信系統(tǒng)。激光化學(xué)雖然尚處于起步階段，但其前景十分光明。

7.激光醫(yī)療：激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類：激光診斷與激光治療，前者是以激光作為信息載體，后者則以激光作為能量載體。多年來，激光技術(shù)已成為臨床治療的有效手段，也成為進(jìn)展醫(yī)學(xué)診斷的關(guān)鍵技術(shù)。它解決了醫(yī)學(xué)中的很多難題，為醫(yī)學(xué)的進(jìn)展做出了貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在，在基礎(chǔ)討論、新技術(shù)開發(fā)以及新設(shè)備研制和生產(chǎn)等諸多方面都保持持續(xù)的、強(qiáng)勁的進(jìn)展勢(shì)頭。當(dāng)前激光醫(yī)學(xué)的出色應(yīng)用討論主要表現(xiàn)在以下方面：光動(dòng)力療法治癌；激光治療心血管疾病；準(zhǔn)分子激光角膜成形術(shù)；激光治療前列腺良性增生；激光美容術(shù)；激光纖維內(nèi)窺鏡手術(shù)；激光腹腔鏡手術(shù)；激光胸腔鏡手術(shù)；激光關(guān)節(jié)鏡手術(shù)；激光碎石術(shù)；激光外科手術(shù)；激光在吻合術(shù)上的應(yīng)用；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應(yīng)用；弱激光療法等。激光醫(yī)療近期討論重點(diǎn)包括：

(1)討論激光與生物組織間的作用關(guān)系，格外是在諸多有效療法中已獲得重要應(yīng)用的激光與生物組織間的作用關(guān)系；討論不同激光參數(shù)(包括波長(zhǎng)、功率密度、能量密度與運(yùn)轉(zhuǎn)方式等)對(duì)不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關(guān)系，取得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；(2)討論弱激光的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)及其作用機(jī)制，包括；弱激光與細(xì)胞生物學(xué)現(xiàn)象(基因調(diào)控和細(xì)胞凋亡)的關(guān)系、弱激光鎮(zhèn)痛的分子生物學(xué)機(jī)制以及弱激光與細(xì)胞免疫(抗菌、抗毒素、抗病毒等)的關(guān)系及其機(jī)制；(3)深化開展有關(guān)光動(dòng)力療法機(jī)制、激光介入治療、激光心血管成形術(shù)與心肌血管重建機(jī)制的討論，樂觀開拓其他新的激光醫(yī)療技術(shù)。

(4)對(duì)醫(yī)學(xué)光子技術(shù)中重要的、新穎的光子器件和儀器設(shè)置進(jìn)行開發(fā)性討論，例如：研制醫(yī)用半導(dǎo)體激光系統(tǒng)、角膜成形與血管成形用準(zhǔn)分子激光設(shè)備、激光美容(換皮去皺、植發(fā))設(shè)備或其他新激光設(shè)備，開拓新工作波段的醫(yī)用激光系統(tǒng)以及開發(fā)Ho：YAG及Er：YAG激光手術(shù)刀等。8.超快超強(qiáng)激光：超快超強(qiáng)激光主要以飛秒激光的討論與應(yīng)用為主，作為一種獨(dú)特的科學(xué)討論的工具和手段，飛秒激光的主要應(yīng)用可以概括為三個(gè)方面，即飛秒激光在超快領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用、在超強(qiáng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和在超微細(xì)加工中的應(yīng)用。飛秒激光在超快現(xiàn)象討論領(lǐng)域中所起到的是一種快速過程診斷的作用。飛秒激光尤如一個(gè)極為精細(xì)的時(shí)鐘和一架超高速的“相機(jī)”可以將自然界中格外是原子、分子水平上的一些快速過程分析、記錄下來。飛秒激光在超強(qiáng)領(lǐng)域中的應(yīng)用(又稱為強(qiáng)場(chǎng)物理)歸因于具有肯定能量的飛秒脈沖的峰值功率和光強(qiáng)可以格外之高。這樣的強(qiáng)光所對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)會(huì)遠(yuǎn)大于原子中的庫侖場(chǎng)，從而很容易地將原子中的電子統(tǒng)統(tǒng)剝落出去。因此，飛秒激光是討論原子，分子體系高階非線性、多光子過程的重要工具。與飛秒激光相應(yīng)的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飛秒強(qiáng)光可以用來產(chǎn)生相干X射線和其它極短波長(zhǎng)的光，可以用于受控核聚變的討論。飛秒激光用于超微細(xì)加工是飛秒激光用于超快現(xiàn)象討論和超強(qiáng)現(xiàn)象討論之外的又一個(gè)飛秒激光技術(shù)的重要的應(yīng)用討論領(lǐng)域。這一應(yīng)用是近幾年才開頭進(jìn)展起來的，目前已有了不少重要的進(jìn)展。與飛秒超快和飛秒超強(qiáng)討論有所不同的是飛秒激光超微細(xì)加工與先進(jìn)的制造技術(shù)緊密相關(guān)，對(duì)某些關(guān)鍵工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展可以起到更直接的推動(dòng)作用。飛秒激光超微細(xì)加工是當(dāng)今世界激光、光電子行業(yè)中的一個(gè)極為引人注目的前沿討論方向。9.激光武器：激光測(cè)距儀是激光在軍事上應(yīng)用的起點(diǎn)，將其應(yīng)用到火炮系統(tǒng)，大大提高了火炮射擊精度。激光雷達(dá)相比于無線電雷達(dá)，由于激光發(fā)散角小，方向性好，因此其測(cè)量精度大幅度提高。由于同樣的緣由，激光雷達(dá)不存在“盲區(qū)”，因此尤其適宜于對(duì)導(dǎo)彈初始階段的跟蹤測(cè)量。但由于大氣的影響，激光雷達(dá)并不適宜在大范圍內(nèi)搜尋，還只能作為無線電雷達(dá)的有力補(bǔ)充。還有精確的激光制導(dǎo)導(dǎo)彈，以及模擬戰(zhàn)場(chǎng)上使用的激光武器技術(shù)運(yùn)用。機(jī)載激光武器(ABL)，ABL的目標(biāo)是研制裝在經(jīng)過改造的波音747飛機(jī)上安裝激光武器，用于從高空攻擊敵方的戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈。

美軍移動(dòng)型戰(zhàn)術(shù)高能激光系統(tǒng)（THEL）的激光放射部分激光武器的優(yōu)點(diǎn)；無需進(jìn)行彈道計(jì)算；無后坐力；操作簡(jiǎn)便，機(jī)動(dòng)靈敏，使用范圍廣；無放射性污染。

激光武器的分類：不同功率密度，不同輸出波形，不同波長(zhǎng)的激光，在與不同目標(biāo)材料相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的殺傷破壞效應(yīng)。激光器的種類繁多，名稱各異。按工作介質(zhì)區(qū)分，目前有固體激光器、液體激光器和分子型、離子型、準(zhǔn)分子型的氣體激光器等。按其放射位置可分為天基、陸基、艦載、車載和機(jī)載等類型，按其用途還可分為戰(zhàn)術(shù)型和戰(zhàn)略型兩類，即戰(zhàn)術(shù)激光武器和戰(zhàn)略激光武器。

10.激光全息技術(shù)：

全息術(shù)的發(fā)明與進(jìn)展：全息術(shù)即全息照相術(shù)，是記錄波動(dòng)（包括機(jī)械波、電磁波和光波）干擾的振幅和位相分布，以及使之再現(xiàn)的專門技術(shù)。它廣泛地用作三維光學(xué)的成像，也可用于聲波（聲全息）和射頻波?！叭ⅰ币馑际侨康男畔ⅲ床粌H是振幅信息，還包含位信任息在內(nèi).

1948年英藉匈牙利物理學(xué)家丹尼斯·蓋伯為了提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)提出了全息術(shù)的最初設(shè)想。隨后，他采納汞燈作光源，首次拍攝了第一張全息照片（即全息圖），并獲得了相應(yīng)的再現(xiàn)像，從而創(chuàng)立了全息術(shù)（為此，他于1971年得到了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。但是由于當(dāng)時(shí)缺乏光明的相干光源（激光器），全息圖的成像質(zhì)量很差。在上個(gè)世紀(jì)50年月里，這方面的工作進(jìn)展相當(dāng)緩慢。直到60年月消滅激光這一相干強(qiáng)光源之后，全息術(shù)才得以飛快進(jìn)展，成為現(xiàn)代光學(xué)中十分活躍的分支.

1962年隨著激光器的問世，利思和烏帕特尼克斯（LeithandUpatnieks）在蓋伯全息術(shù)的基礎(chǔ)上引入載頻的概念，發(fā)明白離軸全息術(shù)，有效地克服了當(dāng)時(shí)全息圖成像質(zhì)量差的主要問題——孿生像，三維物體顯示成為當(dāng)時(shí)全息術(shù)討論的熱點(diǎn)，但這種成像科學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展，制作和觀察這種全息圖的代價(jià)是很昂貴的，全息術(shù)基本只是一個(gè)需要昂揚(yáng)經(jīng)費(fèi)來維持的實(shí)驗(yàn).1969年本頓（Benton）發(fā)明白彩虹全息術(shù)，掀起以白光顯示為特征的全息三維顯示新高潮。彩虹全息圖是一種能實(shí)現(xiàn)白光顯示的平面全息圖，與丹尼蘇克（Denisyuk）的反射全息圖相比，除了能在一般白熾燈下觀察到光明的立體像外，還具有全息圖處理工藝簡(jiǎn)潔、易于復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)。把彩虹全息術(shù)與當(dāng)時(shí)進(jìn)展日趨成熟的全息圖模壓復(fù)制技術(shù)結(jié)合起來便形成了目前風(fēng)靡世界的全息印刷產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)生了全息信用卡、全息商標(biāo)、全息鈔票、全息卡通、全息裝飾材料、甚至全息服裝等保安防偽及裝璜裝飾的全息圖新應(yīng)用。拍攝全息照片的基本光路大致如圖。一激光光源（波長(zhǎng)為λ）的光分成兩部分：直接照耀到底片上的叫參考光；另一部分經(jīng)物體表面散射的光也照耀到照相底片，稱為物光。參考光和物光在底片上各處相遇時(shí)將發(fā)生干涉，底片記錄的即是各干涉條紋疊加后的圖像。全息照相的拍攝原理11.光通信激光是一種頻率更高的電磁波，它具有很好相干性，因而象以往電磁波（收音機(jī)、電視等）一樣可以用來作為傳