激光的應(yīng)用與發(fā)展

傅哲泓

摘 要 激光作為新生代光源，在各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。本文從激光的產(chǎn)生出發(fā)，介紹了激光應(yīng)用的現(xiàn)狀，以及激光技術(shù)的發(fā)展趨勢，同時(shí)還介紹了國內(nèi)激光技術(shù)存在的一些問題，希望能對今后我國激光技術(shù)的發(fā)展提供相應(yīng)的參考。

【關(guān)鍵詞】激光激光應(yīng)用 發(fā)展趨勢

1 引言

二十世紀(jì)能夠和半導(dǎo)體、原子能、計(jì)算機(jī)技術(shù)相提并論的重大科學(xué)技術(shù)成果就是激光器的發(fā)明。從激光器誕生至今其發(fā)展速度令人驚嘆，激光光源便成為了在人來的歷史中的重大變革。激光專用名詞英文組合名稱為LightamplificationbyStimularedemissionofradiation，取英文首字母LASER。錢學(xué)森院士于1964年提議將其取名為“激光”，而且能夠反映出“受激輻射”中的科學(xué)含義，同時(shí)在國內(nèi)的科學(xué)界認(rèn)知程度相對較高并且沿用至今。

2 激光的歷史

偉大的科學(xué)家愛因斯坦于1917年第一次提出“受激輻射”概念，肖洛和湯斯是美國著名的科學(xué)家，特別在微波領(lǐng)域相對研究顯著，他們所發(fā)表的“紅外與光學(xué)激射器”一文中指出以“受激輻射”為主的發(fā)光的必要條件是“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”；與此同時(shí)普羅霍羅夫和巴索夫是前蘇聯(lián)的科學(xué)家也發(fā)表一篇關(guān)于“實(shí)現(xiàn)三級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器建議”的文章；1960年梅曼博士在美國加州一家飛機(jī)公司研究出了世界上首臺(tái)紅寶石激光器，并且成為了世界上的第一束激光，的之后在1964年由于前蘇聯(lián)這兩位科學(xué)家普羅霍羅夫和巴索夫?yàn)榧す庋兄频呢暙I(xiàn)，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

梅曼發(fā)明第一臺(tái)激光器的幾個(gè)月后，中國第一臺(tái)紅寶石激光器在中國科學(xué)院精密機(jī)械研究所誕生。這個(gè)中國第一與世界第一相比在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有新的改進(jìn)。之后我國的激光技術(shù)飛速發(fā)展。

我國激光技術(shù)自誕生至今發(fā)展非常迅速，在數(shù)量以及質(zhì)量上都可以與國際水平相媲美。此項(xiàng)創(chuàng)新型的激光技術(shù)能夠如此快速的發(fā)展并且位居世界前列，在我國近代史中非常少見。

3 激光器結(jié)構(gòu)及其主要特性

激光器主要由激光工作介質(zhì)、激勵(lì)源、諧振腔三部分構(gòu)成，激光工作的介質(zhì)：介質(zhì)受到輻射的刺激而產(chǎn)生的激光，激光的產(chǎn)生需要有相對應(yīng)的介質(zhì)（比如：氣體、固體、液體以及半導(dǎo)體）；刺激源：粒子數(shù)會(huì)受到輻射刺激而反轉(zhuǎn)，其中主要的方式有電、光、化學(xué)等激勵(lì)的刺激等等；諧振腔：通過諧振腔將光進(jìn)行放大，可以產(chǎn)生較高能量的激光。

激光因?yàn)槠渚哂歇?dú)特的優(yōu)異性而被廣泛的應(yīng)用：

（1）激光具有較好的方向性，激光的發(fā)散角偏離軸線能夠精確到毫米的弧度，而且激光具有較高的亮度，功率又是高度的集中，所以激光的亮度要比普通的光源高出上百萬倍。

（2）激光的單色性較好，激光的單色性能要優(yōu)于普通的光源很多倍，普通的光源氦氖激光器譜線的寬度要比曾經(jīng)的基準(zhǔn)器氫燈相對高出6個(gè)數(shù)量級。最后，激光的相干性較好，在激光器中受激輻射的頻率輸出、傳播方向、偏振都是全部相同的光子。

4 激光應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

激光所具有的獨(dú)特的性能，使其在眾多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，近些年隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展期應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)展。在實(shí)際應(yīng)用中，對于激光的特性的要求不是同時(shí)具有幾個(gè)性能，多數(shù)都是要求其突出性能。

4.1 激光應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1.1 激光測量

根據(jù)激光所具有的方向性好和亮度高的特性，人們研制出了測量距離的儀器激光測距儀、激光準(zhǔn)直儀以及激光雷達(dá)等。

1965年用氦氖激光器作為光源的激光測距儀被研制出，其量程可以分為三類：短距離測程<3km，中距離測程3-15km ，遠(yuǎn)距離測程>15km，同時(shí)按照測量規(guī)范將測距儀按測量精度劃分為三個(gè)等級： I級：<5mm，II級：5-10mm，II1級：11-20mm。

激光雷達(dá)是利用各種激光器構(gòu)成的發(fā)射機(jī)，其測量的主體是運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)，可以通過激光雷達(dá)測量出被測物的三維的立體圖像和運(yùn)動(dòng)速度等相關(guān)信息，對于發(fā)現(xiàn)隱藏的目標(biāo)有很大幫助。所以可以通過使用激光雷達(dá)的這種特點(diǎn)對空氣進(jìn)行監(jiān)測，比如大氣的污染程度、摻雜的有毒物質(zhì)，也可以通過對空氣的溫度、能見度、濕度、風(fēng)俗等一些指標(biāo)進(jìn)行測量。我國的激光雷達(dá)技術(shù)被成功運(yùn)用到對古長城的測繪中，2008年一座具有明清時(shí)期特征的山海關(guān)古城呈現(xiàn)在世人眼中就是利用此項(xiàng)技術(shù)修復(fù)的。

激光準(zhǔn)直儀在科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及工業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用，比如用于安裝發(fā)動(dòng)機(jī)主軸系統(tǒng)等精密工作。

4.1.2 激光在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)中的應(yīng)用

利用激光的亮度較高的特性，能夠使用在農(nóng)作物的育種中，其中的原理為光的誘變，作物和作物自發(fā)突變的時(shí)間相對減少，刺激生物效應(yīng)，同時(shí)可以選擇相應(yīng)的亮度對作物進(jìn)行光照，不但可以提高產(chǎn)量還能培育新品種。

國外相關(guān)人員研制出激光成像儀器，能夠發(fā)出激光脈沖信號(hào)，并且對該信號(hào)返回時(shí)間進(jìn)行記錄。這種儀器安裝在農(nóng)用噴灑飛機(jī)上，脈沖信號(hào)能夠自動(dòng)掃描飛機(jī)下方的樹木，農(nóng)作物等，能有有效的避免飛機(jī)在噴灑藥物時(shí)對空地上噴灑的浪費(fèi)，據(jù)統(tǒng)計(jì)通過使用這種儀器可以節(jié)省40%的藥物，同時(shí)也減少了環(huán)境污染。

激光在畜牧業(yè)中的應(yīng)用也是很重要的，例如：經(jīng)過激光進(jìn)行照射過的草料等，動(dòng)物吃后更容易吸收一下；山羊的鏡子在經(jīng)過用氦氖激光器照射后可以延長其生存的時(shí)間，這就對畜牧業(yè)的人工授精繁殖有著非常重要的意義。

4.1.3 激光在文娛教育、物理研究中的應(yīng)用

激光在當(dāng)代生活中有著更為廣泛的應(yīng)用，自從早期的CD機(jī)、激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)以及激光照排機(jī)等都用到了激光技術(shù)；到現(xiàn)在用到的激光防偽、激光條形碼識(shí)別技術(shù)、激光舞臺(tái)等等，生活中的各個(gè)方面都有激光的痕跡。

4.1.4 激光工業(yè)應(yīng)用

未來的精密設(shè)備在生產(chǎn)中使用激光技術(shù)是未來的發(fā)展趨勢，并且能夠體現(xiàn)出一個(gè)國家在制造設(shè)備中生產(chǎn)加工的技術(shù)水平能力以及設(shè)備能力和市場競爭能力。利用激光的生產(chǎn)，加工技術(shù)在各種的金屬材料，非金屬材料中的加工制造有著廣泛的應(yīng)用前景。

工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的激光器目前包括固體激光器、二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器等。這幾種激光器都具有各自的特點(diǎn)，如：固體激光器發(fā)出的光速質(zhì)量較好，二氧化碳激光器生產(chǎn)使用成本較低，半導(dǎo)體激光器發(fā)光的效率相對較高。

在當(dāng)代重工業(yè)生產(chǎn)加工中，比如對材料的切割、打孔、焊接、表面處理等過程中，都能夠體現(xiàn)出激光技術(shù)的優(yōu)越性能。同時(shí)激光的運(yùn)動(dòng)軌跡可以通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行控制，激光技術(shù)的加工也屬于非接觸式，因此其使用壽命以及穩(wěn)定性都相對較好。目前在半導(dǎo)體行業(yè)中，光刻技術(shù)已經(jīng)成為半導(dǎo)體工業(yè)中的中流砥柱。利用激光器的在線加工技術(shù)已成為不可缺少的一部分。

4.1.5 激光通信及存儲(chǔ)

激光通信主要分為大氣激光通信、宇宙激光通信、光纖激光通信和水下激光通信幾個(gè)部分，其原理是利用激光的兩種特性方向性以及單色性。

目前大氣激光通信技術(shù)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中。其主要的特點(diǎn)是通信保密性能較好，很難被破解以及干擾。光纖通信特點(diǎn)是容量大，成本較低，目前光纖通信的迅速發(fā)展，已經(jīng)成為最重要額領(lǐng)域之一。

4.1.6 激光醫(yī)學(xué)應(yīng)用

激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用也是非常廣泛的，甚至是不可缺少的。生物體通過激光的刺激能夠產(chǎn)生很多種效應(yīng)，比如：壓力效應(yīng)、電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)、光化效應(yīng)等。有時(shí)可能出現(xiàn)幾種效應(yīng)同時(shí)存在。

利用激光技術(shù)生產(chǎn)的一些醫(yī)療器材被應(yīng)用于手術(shù)、人體照射中，其醫(yī)療設(shè)備可以分為激光診斷儀、激光治療儀以及激光檢測設(shè)備。使用激光美容、激光眼科手術(shù)、激光切除腫瘤等技術(shù)都在告訴的發(fā)展。相關(guān)研究表明，利用紫光激光器治療軟組織效果非常明顯，打破了傳統(tǒng)二氧化碳激光器治療此類疾病的常規(guī)認(rèn)識(shí)。

4.1.7 發(fā)展中的高能激光武器

激光技術(shù)不僅能在生活生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，同時(shí)在軍事裝備中也是占有一席之位的，高能激光產(chǎn)生的激光束能夠?qū)κ挛锂a(chǎn)生破壞力甚至將其摧毀，這既是激光在定向武器中的應(yīng)用，其核心就是高能激光器。激光對于所破壞的目標(biāo)產(chǎn)生的作用而分為兩類，一是硬破壞，二是軟破壞，硬破壞主要是將物體的金屬部件等利用高功率激光進(jìn)行破壞，軟破壞則是指利用激光破壞物體的易損部件如傳感器等。

強(qiáng)激光類武器具有一定的有點(diǎn)，如：激光傳播速度以光速進(jìn)行傳播，因此在射擊是不用考慮時(shí)間延時(shí)問題，并且激光具有方向性好的特點(diǎn)，光速集中致使命中了高，與常規(guī)武器相比沒有后作用力，能夠快速變換方向，可以迅速射擊多個(gè)目標(biāo)等。

目前，激光武器中能夠使用的激光器有：氣體激光器、化學(xué)激光器、固體激光器等，其中僅有少數(shù)高功率激光器能夠開發(fā)為激光武器。

化學(xué)類激光武器的主要缺點(diǎn)是對外排放有害氣體，然而用于激光武器的氣體激光器中二氧化碳激光器的光束質(zhì)量不高。

固體激光武器主要用作于軟殺傷性武器，可以實(shí)現(xiàn)的輸出功率一般在千、萬瓦級別。固體激光器的優(yōu)點(diǎn)有重量輕、體積小、性能穩(wěn)定。便于攜帶等。 據(jù)《激光世界》報(bào)道，美國諾·格公司推出的小型高能固態(tài)激光器可用于多種軍事用途。

4.2 激光器發(fā)展趨勢

4.2.1 功率逐步提高

目前多個(gè)國家都擁有拍瓦裝置（1拍瓦=10'sW）。這些高功率的激光器有兩種工

作方式：一是能夠發(fā)射出數(shù)百焦耳的長脈沖，二是能夠發(fā)射出不連續(xù)每個(gè)脈沖為數(shù)十焦耳的短脈沖。

超短波超強(qiáng)型飛秒激光器多數(shù)用于激光核聚變的實(shí)驗(yàn)中以及對于高能量高密度的物理研究中，同時(shí)此類激光器自商業(yè)用途中也有著非常大的潛力。

4.2.2 小型化、集成化激光器

在全世界范圍內(nèi)，固體激光器的發(fā)展相對繁華和興旺，隨著半導(dǎo)體激光器的快速發(fā)展，二極管的泵浦激光器的技術(shù)成為主要研究對象以及技術(shù)支持。有相關(guān)的研究表明，激光二極管的供電方式中選用的脈沖供電的形式在很大程度上提高了激光的功率，這對于二極管激光材料的處理研究有著非常重要的意義。

4.2.3 新波段激光器

最近幾年，中距離、遠(yuǎn)距離紅外激光器、紫外線激光器等技術(shù)也在迅猛的發(fā)展著，現(xiàn)在已經(jīng)有數(shù)千種工作介質(zhì)，可以產(chǎn)生波長從真空紫外線到遠(yuǎn)紅外，光譜范圍逐漸變寬。

4.2.4 高效率

激光器的出光效率越來越高。新型YAG激光器的斜度效率在泵浦功率>>20W時(shí)約為81%。

5 全球激光產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

在世界范圍內(nèi)激光器方面的市場主要分為三大區(qū)域：美國市場、歐洲市場、日本和太平洋市場。由于半導(dǎo)體激光器日益快速的發(fā)展，導(dǎo)致固體激光器二極管泵浦在工業(yè)級別的設(shè)備制造以及加工中所占有的市場份額越來越多。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在全球工業(yè)生產(chǎn)用激光的系統(tǒng)在2001年的產(chǎn)值達(dá)到了29.9億美元，在2003年激光系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值為31.11億美元，到2004年全球激光系統(tǒng)產(chǎn)值為32.11億美元。在全球市場上，日本所占有的技術(shù)上的市場份額處于領(lǐng)先地位，占全球的二分之一；然后是美國在激光醫(yī)療設(shè)備以及激光檢測等方面占有的份額較大處于領(lǐng)先地位。

縱觀世界激光產(chǎn)的發(fā)展?fàn)顩r，能夠了解到一下幾點(diǎn)發(fā)展趨勢：首先激光源方面，半導(dǎo)體泵浦固體激光器以及半導(dǎo)體激光器是主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)；其次激光技術(shù)對于產(chǎn)品的投入以及產(chǎn)出技術(shù)優(yōu)化更加明顯，產(chǎn)品融合方面與服務(wù)中技術(shù)含量逐漸提高，更加貼近人們生活中。

6 國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及存在的主要問題

激光技術(shù)在加工作業(yè)方面已被廣泛應(yīng)用在電子、電器、航天、軍工、汽車生產(chǎn)制造、冶金、機(jī)械設(shè)備制造等各個(gè)重要的國民經(jīng)濟(jì)部門，對于產(chǎn)品的質(zhì)量提高，生產(chǎn)效率、自動(dòng)化技術(shù)、降低污染、減少材料損耗等方面都起著重要作用。

二十世紀(jì)九十年代初，我國在武漢市成立了激光加工研制中心，而且是國家級的，目的是使激光產(chǎn)業(yè)在我國能夠起到示范作用并且能夠得到有效的推廣作用。隨之以后又在北京以及上海等地先后成立了地方級別的聯(lián)合激光加工研究中心，另外，很多的研究機(jī)構(gòu)和全國的各大高等院校都組建了激光的加工技術(shù)有關(guān)的研究和推廣，并且也都取得了相對較好的效果。例如：天津冷軋薄板長就是利用激光的毛化技術(shù)，是整個(gè)企業(yè)看到了生機(jī)，在1995年的時(shí)候產(chǎn)出的激光毛化鋼板出口達(dá)千萬美元；西安一家內(nèi)燃機(jī)配件廠組建了激光技術(shù)的熱處理生產(chǎn)線，使其生產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)缸的壽命提高進(jìn)3倍，并且在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用。因此，激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)會(huì)使傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)制造產(chǎn)生重大變革。然而，作為今后加工業(yè)為主的中國，目前僅有一百三、四十家與國外相類似的激光加工站，所以，很有必要對激光技術(shù)進(jìn)行大力推廣。

近幾年，中國激光產(chǎn)業(yè)市場呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定、增速較快的態(tài)勢，但是在激光行業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，人們應(yīng)該清楚的體會(huì)到對于我國激光產(chǎn)業(yè)起步晚，基礎(chǔ)差，同世界領(lǐng)先的國家相比具有一定的差距以及存在一些問題。如：缺少核心技術(shù)、技術(shù)創(chuàng)新方面薄弱，配套能力較差、在技術(shù)管理上沒有健全良好的技術(shù)評價(jià)體系，這些都是我們今后所面臨以及需要解決的問題。

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