淺談激光器發(fā)展歷程及在音響產(chǎn)品中的應(yīng)用探究

肖軍

摘要：激光器從發(fā)明到漸漸深入發(fā)展，激光技術(shù)現(xiàn)如今不僅取得巨大發(fā)展，而且在工業(yè)和群眾生活等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文主要介紹了激光器的發(fā)展歷程以及探究新的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：激光器歷史 激光器分類 激光器應(yīng)用 在音響產(chǎn)品中的應(yīng)用

引言

1960年7月，梅曼成功研制全球首臺(tái)紅寶石激光器，此后的五十多年，在激光研究領(lǐng)域，很多學(xué)者和專家解決了諸多的技術(shù)瓶頸，取得了巨大的科研成就。自從成功發(fā)明激光之后，由于人們發(fā)現(xiàn)激光有著自身的獨(dú)特屬性。其中包括：極佳的方向性和單色性、亮度高、時(shí)空相干性強(qiáng)等。由此得到很多科學(xué)家們的密切關(guān)注。在廣大專家們的努力之下，如今的激光裝置無論從實(shí)現(xiàn)機(jī)制、還是從生產(chǎn)工藝角度來看，都已邁入成熟期。迄今為止，激光除了在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛之外，其軍轉(zhuǎn)民技術(shù)也得到深入發(fā)展。

一、激光器的發(fā)展歷程

1917年，愛因斯坦基于光量子假設(shè)，認(rèn)為光的輻射性質(zhì)有兩種：自發(fā)輻射和受激輻射。這為受激輻射光的研制提供了重要的理論預(yù)言支持。1928年，德國的R，Ladenburg，H.Kopferman利用實(shí)驗(yàn)，成功證明了愛因斯坦的觀點(diǎn)。到二十世紀(jì)五十年代，利用實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象給予了驗(yàn)證，并提出愛激輻射放大理論，由此進(jìn)一步預(yù)見粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)體體系?；蛟S能夠?qū)θ肷潆姶艌鲂纬墒芗し糯笞饔谩ｋS后不久，這種可能性在無線電子微波技術(shù)領(lǐng)域得到驗(yàn)證。1954年，基于氮分子氣體的微波量子放大裝置被成功研制，獲得了高度相干的微波束。1957年9月。美國學(xué)者C.H.Townes首次大膽提出光頻受激輻射假設(shè)，2月后，該國R.G.Gould學(xué)者不僅提出這種受激輻射假設(shè)，同時(shí)還給出了相應(yīng)的證據(jù)。隨后開始有更多專家提出諸多類型的激光器，1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯將微博量子放大裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)制，進(jìn)一步應(yīng)用于光頻領(lǐng)域，并由此給出了激光產(chǎn)生的方法。而在1960年，T.H.梅曼等學(xué)者，成功研制出全球首臺(tái)紅寶石激光裝置，一年后，A.賈文等學(xué)者，則成功研制處氦氖激光裝置。1962年R.N.霍耳等學(xué)者，則開發(fā)了半導(dǎo)體激光裝置，其半導(dǎo)體材質(zhì)為砷化鎵。這種發(fā)展速度在科技史上也是極為罕見的，相關(guān)的激光理論及其應(yīng)用也快速的邁入成熟期。

二、激光器的分類

激光器的種類有很多，以下基于激光工作物質(zhì)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、激勵(lì)方式、輸出波長范圍等層面展開分析。

1.按工作物質(zhì)分類：①固體激光器。其材質(zhì)主要為玻璃或者晶體。其實(shí)現(xiàn)機(jī)制為：將那些可以形成受激輻射作用的金屬離子，融入至晶體或者玻璃材質(zhì)，由此形成發(fā)光中心，進(jìn)而產(chǎn)生激光。②氣體激光器。這是一種基于氣體的受激輻射效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)激光的裝置，它又可以進(jìn)一步細(xì)分成原子、離子、分子、準(zhǔn)分子等氣體激光器：③液體激光器。這種裝置的受激輻射材料主要兩種：第一。有機(jī)熒光染料溶液；第二，無機(jī)化合物溶液且內(nèi)涵稀土金屬離子。后者如釹離子，它肩負(fù)的為粒子功能，而前者，如SeOCI溶液，肩負(fù)的為基質(zhì)功能。④半導(dǎo)體激光器。這類裝置中，產(chǎn)生受激輻射作用的是半導(dǎo)體材質(zhì)，具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制為：采用電注入、高能電子束注入等激勵(lì)模式，讓半導(dǎo)體的能帶之間，或者其能帶和雜質(zhì)能級(jí)之間，利用激發(fā)非平衡載流子完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)。由此便可形成光受激發(fā)射效應(yīng)。⑤自由電子激光器。該裝置相對(duì)特殊，其基質(zhì)為定向自由電子束，而且它還需要在周期變化的磁場中能夠進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)。只需將其速度進(jìn)行調(diào)整，便可讓生成的相干電磁輻射擁有可諧調(diào)性，并能使之從X射線波段。漸入至微波區(qū)。

2.按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類：①連續(xù)激光器，其特點(diǎn)體現(xiàn)無論是物質(zhì)的激勵(lì)還是激光輸出都具有連續(xù)性，且維持的時(shí)間長度較長。譬如，連續(xù)光源或者電激勵(lì)模式的固體和氣體、半導(dǎo)體激光裝置，都可以納入此類。②單次脈沖激光器。這類裝置的激勵(lì)和激光發(fā)射。從時(shí)間視角來看，皆為單詞脈沖過程。實(shí)際上普通的固體、液體或部分氣體激光裝置。都隸屬此類。③重復(fù)脈沖激光器。其輸出的為重復(fù)性激光脈沖，所以其激勵(lì)方式為重復(fù)脈沖，如果使用連續(xù)方式進(jìn)行激勵(lì)，就需要給出相應(yīng)的調(diào)制，使之產(chǎn)生重復(fù)脈沖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光的輸出。④調(diào)激光器。這是一種基于開關(guān)技術(shù)產(chǎn)生的脈沖激光裝置，其輸出功率相對(duì)較高。實(shí)現(xiàn)機(jī)制為：基質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生之后。通過開關(guān)裝置對(duì)其進(jìn)行管控，使之粒子數(shù)規(guī)模達(dá)到一定集聚度之后，再突然啟動(dòng)開關(guān)，于是在極端時(shí)間之內(nèi)，形成更高功率的激光輸出。⑤鎖模激光器。這類裝置引入了鎖模技術(shù)，由于共振腔之內(nèi)，在不同縱向模式下，具有明確的相位關(guān)系，于是在一系列時(shí)間上，就能夠產(chǎn)生等間隔的激光脈沖（超短型）。

3.按激勵(lì)方式分類：①光學(xué)激勵(lì)（光泵）。借助于外部光源對(duì)基質(zhì)粒子進(jìn)行輻照，使得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。其光泵主要由放電光源和聚光器構(gòu)成，前者主要有氙燈、氪燈。②氣體放電激勵(lì)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)直接通過氣體放電過程實(shí)現(xiàn)。其構(gòu)成為放電電源和電極。③化學(xué)激勵(lì)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的產(chǎn)生借助于的是工作基質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)，也就是說，需要配置相應(yīng)的化學(xué)原料。④核能激勵(lì)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的產(chǎn)生，借助的是核裂變所構(gòu)成的高能粒子或者放射線對(duì)工作基質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)。

4.按輸出波長范圍分類：①遠(yuǎn)紅外激光器。其波長為0.025至1毫米之間。②中紅外激光器。其激光波長為2.5至25微米區(qū)間。③近紅外激光器。其波長在0.75至2.5微米之間，處于近紅外區(qū)。④可見激光器。其波長處于可見光段（4000～7000?；?.4～0.7微米）的激光裝置⑤近紫外激光器，其波長位于近紫外區(qū)（2000～4000埃）。⑥真空紫外激光器，其波長在真空紫外區(qū)（埃）⑦X射線激光器。其波長在X射線譜區(qū)（埃）。

三、激光器的應(yīng)用

不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)す饧夹g(shù)有不同的要求。促進(jìn)了激光器技術(shù)的不斷發(fā)展。在技術(shù)應(yīng)用上激光有著廣泛的市場。如民用工業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)的領(lǐng)域，軍工領(lǐng)域以及延伸的新興領(lǐng)域，如在音響產(chǎn)品中的應(yīng)用等。

1.激光器技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)上的材料加工處理（包括退火、制作合金、淬火和材料切割等）、光通訊、測距、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、醫(yī)療技術(shù)的新工具、太陽能人造衛(wèi)星的能量聚束、核聚變管控、離析同位素、激光打印機(jī)、激光復(fù)印機(jī)；農(nóng)業(yè)上用激光輻照種子和植株提高產(chǎn)量；以及軍事上的激光武器、目標(biāo)照明、空間通風(fēng)系統(tǒng)等。

2.激光器技術(shù)在音響產(chǎn)品中的應(yīng)用：（1）它是應(yīng)用在專業(yè)音響領(lǐng)域，可以進(jìn)行音響的安裝定位?？梢詫?duì)音箱的軸向擴(kuò)聲指向進(jìn)行定位，可以借助于提升無源音頻信號(hào)采集電路、音頻電力轉(zhuǎn)換和激光模塊等，實(shí)現(xiàn)高位區(qū)音箱的固定安裝。此時(shí)，可以借助于音源播放裝置，將一種特定音頻信號(hào)，利用功放將其布置于音響內(nèi)部電路，然后對(duì)其內(nèi)置的激光發(fā)射裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。給出相應(yīng)的激光定位光束。將其投射至音響需要達(dá)到的擴(kuò)聲區(qū)域，從而降低了該音箱在具體安裝過程中的定位難度，提高了安裝精度及安裝的效率，安裝成本也會(huì)顯著降低。（2）它的技術(shù)方案是：在音箱內(nèi)置增加了由單片機(jī)控制的信號(hào)采集電路，而該電路是基于高阻值狀態(tài)，并在喇叭的負(fù)載兩端進(jìn)行并聯(lián)，從而保障其音箱音質(zhì)不會(huì)受到負(fù)面影響。對(duì)應(yīng)的采集電路，只需要辨識(shí)到足夠大的音頻信號(hào)，就能通過音頻電力轉(zhuǎn)換模塊為單片機(jī)提供穩(wěn)定能源供給。在此階段，沒有對(duì)特定音頻信號(hào)進(jìn)行設(shè)定，相應(yīng)的激光裝置處于停工狀態(tài)，這樣，聽眾在聆聽音樂之時(shí)，不會(huì)有光束進(jìn)行干擾。只有在固定音箱時(shí)，采集電路獲取播放裝置給出的足夠大特定音頻信號(hào)之后。才會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的激光供電模塊，讓激光裝置工作，給出相應(yīng)的激光光束并用來定位。而激光發(fā)射口，則是利用特定裝置，固定在音箱前面板的幾何中心，這樣光束的定位精確性就能得到保障。進(jìn)而為音箱擴(kuò)聲指向區(qū)域的自動(dòng)定位提供技術(shù)支持。

（單片機(jī)控制的信號(hào)采集電路原理圖）

四、總結(jié)

激光技術(shù)的應(yīng)用，正極大促進(jìn)人類和物質(zhì)文明的持續(xù)發(fā)展，極大程度上解放了人類的生產(chǎn)力。發(fā)展與普及激光技術(shù)，從而把人類文明帶入一個(gè)新的高度，有著十分重要的意義！