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中科院长春光机所:激光技术的“前世今生”

  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(降生于中国科学院长春光学邃密机械研究所)以来,激光手艺被认为是20世纪继量子物理学、无线电手艺、原子能手艺、半导体手艺、电子争论机手艺之后的又一重大科学手艺新成就。

  

中科院长春光机所:激光技术的“前世今生”

  现在,我们家顶用的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,经由光纤收集发送邮件浏览视频。无论我们是否意识到,我们每小我天天都使用激光,然则有几多人真正领会激光是什么,若何工作?

  激光,是一种天然界原本不存在的,因受激而发出的,具有偏向性好、亮度高、单色性好和相关性好等特征的光。

  激光的发生机理或许溯源到1917年爱因斯坦解说黑体辐射定律时提出的假说,即光的吸取和发射可经由受激接收、受激辐射和自发辐射三种根基过程。众所周知,任何一种光源的发光都与其物质内部粒子的活动状况有关。当处于低能级上的粒子(原子、分子或离子)接收了适当频率外来能量(光)被激发而跃迁到响应的高能级上(受激接收)后,老是力求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。

  假如光是在没有外来光子感化下自发地释放出来的(自发辐射),此时被释放的光即为通俗的光(如电灯、霓虹灯等),其特点是光的频率巨细、目的和步骤都很纷歧致。

  但若是是在外来光子直接感化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、流传偏向等方面完全一致,这就意味着外来光获得了增强,我们称之为光放大。

  

中科院长春光机所:激光技术的“前世今生”

图:激光发生机理:(左)受激接收,(中)自发辐射,(右)受激发射

  而激光的发生需要知足三个前提:粒子数回转、谐振腔反馈和知足阈值前提。经由受激接收,使处于高能级的粒子数比处于低能级的越多(粒子数展转),还需要在有源区两头建造出可以反射光子的平行反射面,形成谐振腔,并使增益大于损耗,即不异时间新发生的光子数大于散射接收掉的光子数。只有知足了这三个前提,才有可能发生激光。

  激光的特征

  激光之所以被誉为神奇的光,是因为它有通俗光完全不具备的四大特征。

  

中科院长春光机所:激光技术的“前世今生”

  1.偏向性好——通俗光源(太阳、白炽灯或荧光灯)向四面八方发光,而激光的发光目的能够限制在小于几个毫弧度立体角内,这就使得在照射目的上的照度提高万万倍。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,而通俗探照灯几千米外就扩散到几十米。

  激光准直、导向和测距就是行使标的性好这一特征。

  2.亮度高——激光是今世最亮的光源,只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它比拟拟。太阳亮光度大约是1.865×109cd/m2,而一台大功率激光器的输出亮光度能够跨越太阳光的亮度7~14个数量级。

  尽管激光的总能量并纷歧定很大,但因为能量高度集中,很轻易在某一微小点处发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哄骗了这一特征。

  3.单色性好——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。通俗光源发出的光平日包含着各类波长,是各类颜色光的夹杂。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、紫外光等弗成见光。

  而某种激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率规模内。如氦氖激光的波长为632.8纳米,其波长转变局限不到万分之一纳米。激光优越的单色性为细密度仪器测量和激励某些化学回响等科学实验供应了极为有利的手段。

  4.相关性好——干预是波动现象的一种属性。基于激光具有高偏向性和高单色性的特征,它必然会是相关性极好的光。激光的这一特征使全息拍照成为实际。

  激光器的类型

  在光源中,实现能级粒子数展转是实现光放大的前提,也就是发生激光的先决前提。要实现粒子数展转,需借助外来光的力量,使大量本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”。

  我们每每所说的激光器,就是使光源中的粒子受到激励而发生受激辐射跃迁,实现粒子数回转,然后过程受激辐射而发生光的放大的装配。激光器固然多种多样,但使命都是经由激励和受激辐射而获得激光。是以激光器平常均由激活介质(即被激励后能发生粒子数展转的工作物质)、激励装配(即能使激活介质发生粒子数回转的能源,泵浦源)和光谐振腔(即能使光束在个中频频振荡和被多次放大的两块平面反射镜)三个部门构成。

  

中科院长春光机所:激光技术的“前世今生”

图:激光器的工作道理

  因为我们能够以很多分歧的体例激发很多分歧种类的原子,我们能够(理论上)制造很多分歧种类的激光。

  激光器有多种分类格局,个中最闻名的是固体,气体,液体染料,半导体和光纤激光器。固态激光器介质是雷同红宝石棒或其他固体结晶材料,而且环绕在其上的闪光管泵送其布满能量的原子。为了有效地工作,固体必需掺杂,这是一种用杂质离子取代一些原子的过程,使其具有得当的能级以发生必然切确频率的激光。固态激光器发生高功率光束,平常是非常短的脉冲。比拟之下,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)作为介质的化合物发生一连的亮光。 CO2激光器功能壮大,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,首要长处是可用于发生比固态和气体激光器更宽的光频带,甚至可“调谐”以发生分歧的频率。

  按波长来分,笼盖的波长局限包罗远红外、红外、可见光、紫外直到远紫外,比来还研制出X射线激光器和正在开发的γ射线光器;

  按激励体式分歧,有光激励(光源或紫外光激励)、气体放电激励、化学反响激励、核反映激励等;

  按输出体例分歧,有陆续的、单脉冲的、延续脉冲的和超短脉冲等;

  从功率输出的巨细来看,此中陆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甚至飞秒级(1000万亿分之一)。

  林林总总激光器知足分歧的应用要求。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)。有的进展脉冲时间尽量缩短,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赓续摸索,从而使激光器的索求深度和应用广度获得前所未有的成长。

  蓬勃成长的激光应用

  所谓激光手艺,就是索求开发各类发生激光的方式以及摸索应用激光的这些特征为人类造福的手艺的总称。

  50多年来,激光手艺与应用成长迅猛,已与多个学科相连系形成多个应用手艺范畴,好比光电手艺,激光医疗与光子生物学,激光加工手艺,激光检测与计量手艺,激光全息手艺,激光光谱阐发手艺,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,激光星散同位素,激光可控核聚变,激光兵器等。这些交叉手艺与新的学科的呈现,大大地鞭策了传统家产和新兴工业的成长。

  1、激光在信息范畴的应用

  半导体激光器和光纤放大器是光纤通信的两项要害手艺。

  半导体激光器发出的激光不仅单色性和相关性好,并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,并且通信容量比微波通信要提高上万倍。

  使用激光手艺进行光存储,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。

  

中科院长春光机所:激光技术的“前世今生”

图: CD或DVD播放机中的光盘的激光和镜头。右下方的小圆是半导体激光二极管,而较大的蓝色圆圈是从激光器从光盘的圆滑轮廓反射后读取光的透镜。

  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信等均已获得普遍应用。

  2、激光在全息术范畴的应用

  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(示意波动起点同基准时间的关系)。

  人们行使感光的拍照方式,只能记录下波长和振幅,所以无论照得何等真切,看照片和看真的景物老是纷歧样。

  而激光具有高相关性,能获取过问波空间包孕相位在内的悉数信息。是以,采用激光进行全息摄影,被拍物体的扫数信息都被记录在底片上,过程光的衍射,就能复现被摄取物体绘声绘色的立体形象。

  全息拍照具有三维成像的特点,可反复记录,并且每一小块全息底片都能再现物体的完整立体形象,可普遍用于细密干与计量、无损探伤、全息光弹性、微应变剖析和振动剖析等科学研究。

  此中,行使全息干预术研究燃气燃烧过程、机械件的振动模式、蜂窝板布局的粘结质量和汽车轮胎皮下缺陷查抄等已获得普遍应用。而且,全息拍照用作商品和信用卡的防伪标记已形成财产,用全息拍照拍摄珍贵艺术品,不仅赏识起来令人如临其境,并且为艺术品的修复供给了靠得住而传神的依据。正在成长的全息电视还将为人们增添一种新的生活享受。

  3、激光在医疗范畴的应用

  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处所进行诊断,直接反映组织病况,给大夫诊断供应了充裕依据。

  在激光治疗方面,激光手艺已成为临床治疗的有效手段,也成为成长医学诊断的枢纽手艺。它解决了医学中的很多难题,例如激光手术治疗暗语小,对组织根基没有损害或损害极小,毒副感化反响少。今朝,激惠临床应用范畴包罗近视矫正、视网膜修补、龋齿修复、分子级微创手术等,当前激光医学的超卓应用研究首要显露在以下方面: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。今朝,激光治疗在根本研究、新手艺开发以及新设备研制和生产等诸多方面都连结持续的、强劲的成长势头。

  

中科院长春光机所:激光技术的“前世今生”

图:激光在口腔医学范畴的应用

  4.激光加工

  操纵激光的高强度(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,从而对分歧特征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。

  

中科院长春光机所:激光技术的“前世今生”

  激光加对象有精度高、畸变小、无接触、能量省等长处,其应用范畴几乎或许笼盖整个机械制造业,包孕矿山机械、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。个中要害零部件和周详设备的磨损和侵蚀都能很好地行使激光熔覆手艺进行修复和优化,成为化陈旧为神奇的利器。

  5.周详测量

  邃密测量是操纵了激光单色性好、相关性强、偏向性好的特点。比拟于其他测距仪,激光测距具有探测距离远,精度高,抗干扰,保密性好,体积小重量轻的长处。测距仪发出光脉冲,经被测方针反射后,光脉冲回到领受系统,测量发射与领受时间距离。

  激光同时具有高亮度和高相关性,这使得光的多普勒效应可以在测速方面获得应用。激光雷达是以发射激光束探测方针的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作道理上讲,激光雷达与微波雷达没有底子的区别:向方针发射探测旌旗(激光束),然后将领受到的从方针反射回来的灯号(方针回波)与发射旌旗进行较量,作适当处理后,就可获得方针的有关信息,如方针距离、方位、高度、速度、姿态、甚至外形等参数,从而对飞机、导弹等方针进行探测、跟踪和识别,它在军事范畴施展着主要的感化,也成为情况监测的有力兵器。

  此外,引力波的探测也是行使激光干预测量方式,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应时发生的引力波辐射,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现之一,激光手艺的应用已普遍深入到工业、农业、军事、医学甚至社会的各个方面,对人类社会的提高正在起着越来越主要的感化,正事业般地改变着我们的世界。

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