“神奇”的稀土激光材料

霍知節(jié)

“光把我們帶進(jìn)了一個(gè)光怪陸離的世界：X光，照見了動(dòng)物的內(nèi)臟;激光，刺穿了優(yōu)質(zhì)鋼板”[1]。艾青所著《光的贊歌》激情四溢，以詩歌的形式為我們描述了一種極富“個(gè)性”的新光源——激光（laser）。那到底什么是激光呢？又是來自于哪里？激光器、激光材料又是何物？稀土激光材料又是怎么回事？它們的“神奇用途”是什么？下面我們來逐一破解。

1? ?激光的“神奇”

什么是激光？激光，最初的名字為“鐳射”“萊塞”，意為：受激發(fā)射的光放大、產(chǎn)生的輻射光。意指某些特殊物質(zhì)原子中的粒子，在受到光或者電的刺激后，會(huì)使其中能級(jí)較低的原子吸收能量后，變成能級(jí)較高的原子，進(jìn)而輻射出相位、頻率、方向等完全相同的光，這就是“神奇”的激光。

1.1? ?“神奇”在哪里

激光的“神奇”在哪里呢？一是方向性好 （圖1），近乎是一束平行光，哪怕是投射到遙遠(yuǎn)的月球，其光束擴(kuò)散直徑也不會(huì)超2km。二是單色性好（圖2），顏色純正，亮度極高。三是相干性好 （圖3），源自受激輻射產(chǎn)生的相干光束，故而空間和時(shí)間的相干性都是極好的。四是能量高度集中，可獲得極強(qiáng)的輸出功率，因其發(fā)散角很小，照射形成的光斑極小，故單位面積的輻射能極高，集中的高能量在“千鈞一發(fā)”之際，可以將天下的各路材料瞬間熔化或汽化，真可謂無堅(jiān)不摧。

“神奇”的激光原理又是什么呢？享譽(yù)世界的美國(guó)物理學(xué)家——愛因斯坦，也就是“激光之父”，在1916 年發(fā)現(xiàn)了偉大的“激光原理”。該理論的基本內(nèi)容是：①假設(shè)原子、分子或離子等微觀粒子，有高低2個(gè)分立能級(jí)，對(duì)應(yīng)能量E2、E1，粒子數(shù)密度N2、N1。②存在著3種能級(jí)躍遷：第一種自發(fā)發(fā)射，不受外界電磁場(chǎng)作用下，高能級(jí)上粒子自發(fā)地躍遷到低能級(jí)，同時(shí)發(fā)射出光子，其能量為△E=E2-E1;第二種受激吸收，低能級(jí)E1上的粒子如受激于一定頻率（頻率為：ν= △E/h，h為普朗克常量） 的電磁波，則可吸收入射的電磁波而發(fā)生躍遷，至高能級(jí)E2;第三種受激發(fā)射，高能級(jí)E2上的粒子如與一定頻率的電磁波相互作用，則可躍遷至低能級(jí)E1并發(fā)射出光子，其頻率、位相、偏振以及傳播方向均與入射電磁波相同，而且是相干的。③上述受激后的發(fā)射、吸收過程，不僅同時(shí)存在而且躍遷幾率相等。因?yàn)樵跓崞胶鈼l件下，低能級(jí)粒子的數(shù)量多于高能級(jí)，所以受激后總是吸收多于發(fā)射，故而通常也就只看到受激吸收現(xiàn)象，而不容易見到受激發(fā)射。

1.2? ?“激光器”的問世

由于當(dāng)時(shí)客觀條件所限，科學(xué)家們未能認(rèn)識(shí)到愛因斯坦激光理論的實(shí)踐價(jià)值，也未能引起人們對(duì)其現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的重視。1953年，美國(guó)物理學(xué)家查爾斯·哈德·湯斯 （Charles Hard Townes，榮獲1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)） 和他的學(xué)生阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow，美國(guó)物理學(xué)家，1981年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)），首次研制成功了微波量子放大器，微波受激后發(fā)射放大，可以獲得高度相干的微波束，換言之，微波放大器就是激光器的前身。此后4年，湯斯的博士生不僅創(chuàng)造了單詞“l(fā)aser”，而且提出“用光激發(fā)原子可以產(chǎn)生一束相干強(qiáng)光”的理論。1958年，湯斯與其合作者將微波量子放大器原理，進(jìn)一步推廣到光頻范圍加以應(yīng)用，“激光器”可謂是呼之欲出。

那“激光器”又是什么？簡(jiǎn)言之，就是能夠發(fā)射激光的裝置。1960年，“激光器”在充足的理論準(zhǔn)備下，以及迫切的生產(chǎn)需求推動(dòng)下橫空出世。美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室的年輕科學(xué)家T·H·西奧多·梅曼（Theodore H Maiman）制成了世界上第1臺(tái)紅寶石激光器[2]。人類獲得了第1束波長(zhǎng)為0.6943μm的激光，首次將其引入實(shí)用領(lǐng)域。該激光器以一高強(qiáng)閃光燈管激發(fā)紅寶石﹝摻有鉻（Cr）原子的剛玉﹞，其表面鍍有反光鏡并鉆一小孔，激發(fā)產(chǎn)生的紅光從該孔射出后，高度聚集為纖細(xì)的紅色光柱，其聚焦溫度要高于太陽的表面溫度。同年，半導(dǎo)體激光器被前蘇聯(lián)科學(xué)家研發(fā)成功，獲得了響應(yīng)速度快、可調(diào)制、相干性好的激光。1961年伊朗科學(xué)家研發(fā)成功了氦氖激光器。緊接著第2年，R·N·霍耳等人發(fā)明了砷化鎵半導(dǎo)體激光器，開拓了激光器發(fā)展的新路徑。1965年二氧化碳激光器研發(fā)成功，這是第1臺(tái)大功率激光器。此后2年，第1臺(tái)X射線激光器問世。1997年第1臺(tái)原子激光器“降生”于美國(guó)麻省理工學(xué)院。2013年8月2日英國(guó) 《自然·通訊》 雜志刊出，南非科研人員研發(fā)出世界首個(gè)數(shù)字激光器。致力于激光研究的科學(xué)家們，先后已有10位獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，不斷刷新了激光研究領(lǐng)域的新記錄。

1.3? “激光器”的原理

為什么激光器的問世滯后于愛因斯坦提出的激光理論四十多年呢？因?yàn)閺募夹g(shù)上突破“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，是產(chǎn)生激光的必要條件，“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”又是何意呢？就是要打破愛因斯坦激光原理的第3條平衡態(tài)時(shí)的粒子分布狀態(tài)，使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，也就是說必須使粒子數(shù)量，處于高能級(jí)的粒子要遙遙領(lǐng)先或大于低能級(jí)的粒子。當(dāng)粒子的實(shí)際分布狀態(tài)與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱其為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”，即“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。

換言之，激光產(chǎn)生的必要條件：“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”“增益要大于損耗”。這就決定了“激光器”中2個(gè)重要組成部分：激勵(lì)源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)?！凹?lì)源”通過光學(xué)、電學(xué)、化學(xué)、核能等激勵(lì)手段，從而為實(shí)現(xiàn)并維持“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”創(chuàng)造條件，并為亞穩(wěn)能級(jí)的“工作介質(zhì)”提供可吸收外來能量，使其受激輻射為激發(fā)態(tài)，并成為主流，以實(shí)現(xiàn)光放大。“諧振腔”雖并非是激光器的核心部件，但其功能也決不可忽略不計(jì)。主要是確保其內(nèi)部的光子“高度統(tǒng)一”，如頻率和相位，包括光子的運(yùn)動(dòng)方向，才可能確保激光良好的方向性和相干性，以及恰到好處地縮短工作物質(zhì)的長(zhǎng)度。

2? “神奇”的稀土激光材料

2.1? ?激光材料為何物

激光材料（laser material）是指把各種泵浦（電、光、射線）能量轉(zhuǎn)換成激光的材料[3]。 也就是激光器的“工作物質(zhì)”，主要以固體激光材料為主，呈現(xiàn)為凝聚態(tài)物質(zhì)，可分為2類：半導(dǎo)體激光材料，以電激勵(lì)為主的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由半導(dǎo)體薄膜組成，用外延方法和氣相沉積方法制得。通常據(jù)激光的波長(zhǎng)，決定采摻雜半導(dǎo)體材料[4]。另一類是通過分立發(fā)光中心吸收光泵能量后，轉(zhuǎn)換成激光輸出的發(fā)光材料。通常以固體電介質(zhì)為基質(zhì)，其中激光晶體的激活離子處于有序結(jié)構(gòu)的晶格中;非晶態(tài)玻璃中的激活離子處于無序結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中。非線性晶體，具有對(duì)激光束調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)偏、調(diào)相的功能;在傳輸過程中，能夠修正畸變激光圖像的晶體;以及能夠靈敏捕捉紅外光的熱電探測(cè)晶體等。若把激光工作物質(zhì)置于諧振腔內(nèi)，則光輻射在諧振腔內(nèi)沿軸線方向往復(fù)反射傳播，多次通過工作物質(zhì)，使光輻射被放大了很多倍（光放大），從而形成一束強(qiáng)度很大、方向集中的光束（激光）[5]。常用的激光材料主要有物理性質(zhì)和化學(xué)穩(wěn)定性良好、硬度和機(jī)械強(qiáng)度較高的氧化物材料;還包括氧化物和氟化物材料，具有低的聲子頻率、寬的光譜透過范圍和高的發(fā)光量子效率[6]。

2.2? ?稀土激光材料為何物

稀土激光材料是一種單色性、方向性、相干性極好的激光材料，那么稀土又是如何”打入“激光材料“內(nèi)部”的呢？早在1958年美國(guó)的2位科學(xué)家，肖洛和湯斯就發(fā)現(xiàn)了“激光現(xiàn)象”：當(dāng)某一稀土晶體，被氖光燈照射時(shí)，能夠產(chǎn)生色彩艷麗且高度集中的強(qiáng)光束（激光）。據(jù)此他們提出自己的“激光原理”：物質(zhì)被恰當(dāng)?shù)哪芰考ぐl(fā)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生激光。后將該內(nèi)容著文發(fā)表，并獲得1964年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

稀土激光材料與激光技術(shù)可謂是“孿生兄弟”，激光技術(shù)誕生的同年就發(fā)現(xiàn)用釤（Sm）的氟化鈣（ CaF2 ：Sm3+ ）輸出脈沖激光。此后，稀土與激光聯(lián)手打造了在材料界“攻城奪地的神話”，應(yīng)用和發(fā)展神速。迄今為止，已獲得激光輸出的稀土離子有14種，涉及的基質(zhì)晶體包括氯化物、氧化物、復(fù)合氯化物、復(fù)合氧化物等170多種晶體和一些其他形態(tài)的物質(zhì)[7]。在現(xiàn)有激光材料激活劑中，9成以上都摻有稀土離子，足見稀土在激光材料中舉足輕重的位置，這是為什么呢？稀土是激光工作物質(zhì)中極其重要的元素，這是由其特殊的電子組態(tài)、眾多的可利用的能級(jí)、光譜特性決定的。其中的原理又是什么呢？

2.3? ?稀土激光材料的原理

稀土激光材料的兩端裝都有反射鏡，兩面反射鏡對(duì)激光波長(zhǎng)具有不同的反射率，將其置于內(nèi)襯銀（Ag） 或鋁 （AI）等反射材料的“聚光器”中，然后以脈沖氙燈、氪燈、發(fā)光二極管、激光等作為“光泵”即“激發(fā)光源”（圖4），其發(fā)出的光被“稀土激活離子”吸收后，便使“稀土離子”從“基態(tài)1”激發(fā)至“能級(jí)4”，再無輻射弛豫至“亞穩(wěn)態(tài)3”，當(dāng)從亞穩(wěn)態(tài)3以輻射弛豫的方式返回到基態(tài)1或能級(jí)2時(shí)，發(fā)出的光在稀土激光材料兩端的反射鏡間，來回產(chǎn)生振蕩，當(dāng)增益大于損耗，滿足生產(chǎn)激光的條件時(shí)，就從鏡子反射率低的一端輸出激光（圖5）。

鑭系元素和錒系元素激光材料幾乎都已實(shí)現(xiàn)了光泵浦，在不同介質(zhì)中鑭系元素激發(fā)光發(fā)射波長(zhǎng)分布范圍不同。14種稀土離子中，激光發(fā)射波長(zhǎng)最短的是釓（Gd3+），最長(zhǎng)的是鏑 （Dy3+）。在可見光區(qū)有鐠（Pr3+）、鋱 （Tb3+）、鈥（Ho3+）、銪（Eu3+）、Sm3+;在紅外光區(qū)有釹 （Nd3+）、鐿 （Yb3+）、鉺（Er3+）、銩（Tm3+）、Dy3+ [8]。

2.4? 稀土激光材料的“家族”

稀土激光材料主要有固體、液體、氣體“大家族”，固體材料家族在性能、種類和用途等方面，均無情地碾壓了液體和氣體2大材料家族，因此“固體激光材料家族”通常就是稀土激光材料的“全權(quán)代表”。固體材料家族又劃分為“三大門派”：晶體、玻璃、光纖激光材料，其中的稀土激光晶體材料又占主導(dǎo)地位，可謂是“權(quán)傾朝野”。

早在1960年，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了使用摻有稀土Sm2+的 CaF2，可以輸出脈沖激光。1961年，“玻璃門派”下“稀土玻璃激光材料”問世，科學(xué)家們采用摻有稀土Nd的硅酸鹽玻璃，獲得了脈沖激光，就此拉開了稀土玻璃激光器的科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用的大幕。1962年，含稀土釹（CaWO4：Nd3+）的晶體獲得了輸出連續(xù)的激光，稀土晶體激光器問世。1963年，使用摻有稀土Eu的苯酰丙酮的醇溶液，獲得了脈沖激光，首次研制成功稀土螯合物液體激光材料，標(biāo)志著稀土激光材料“液體家族”誕生。1964年，科學(xué)家們?cè)谑覝叵卵邪l(fā)出了摻有釹的釔 （Y）鋁石榴石晶體（Y3Al5O12：Nd3+），獲得了可輸出的連續(xù)激光，這便是后來被廣泛使用的稀土固體激光材料。1973年，首次研發(fā)出銪—氦稀土金屬蒸氣的激光振蕩，稀土激光材料“氣體家族”閃亮登場(chǎng)。僅僅14年的時(shí)間，稀土一族憑借令其他元素?zé)o法匹敵的先天優(yōu)勢(shì)，獨(dú)特的電子組態(tài)、多能級(jí)和光譜特性，其固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)材料都實(shí)現(xiàn)了受激發(fā)射。在激光工作物質(zhì)中，稀土激光材料的“3大家族”號(hào)令天下。這些特性使激光在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)代科技和國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域占據(jù)重要地位，成為一項(xiàng)蓬勃發(fā)展的新技術(shù)，日益成為當(dāng)代國(guó)際上引人注目的高新技術(shù)。

3? 激光的“神奇”用途

激光極大地推動(dòng)了生產(chǎn)力的迅猛發(fā)展，激光科學(xué)與技術(shù)催生了一門新的朝陽產(chǎn)業(yè)。進(jìn)入20世紀(jì)，原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)等高科技推進(jìn)神速，激光被贊譽(yù)為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”，成為人類的又一重大發(fā)眀，書寫了其用途的“神奇”篇章。

3.1? 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的“神奇”

①激光診療。激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要將其用于診斷和治療，以及生命科學(xué)的研究。激光的臨床治療又分為手術(shù)治療、非手術(shù)治療以及光動(dòng)力治療。激光手術(shù)治療，開刀痛苦輕、感染少。1961年，激光首次被用于外科手術(shù)，治療視網(wǎng)膜腫瘤;1991年，激光首次用于治療近視;2008年，首次使用光導(dǎo)纖維激光治療腦瘤。醫(yī)學(xué)激光系統(tǒng)據(jù)其臨床作用而定，以牙科為例，激光對(duì)人體組織的作用，首先與其波長(zhǎng)有關(guān)，如可見光及近紅外光譜范圍的光線，治療牙體組織的部位較深，而穿透能力差的激光，可治療的透牙體組織也較淺，僅僅為零點(diǎn)幾毫米或更淺。其次，在診斷學(xué)中，激光的強(qiáng)度（功率）是非常重要的因素，實(shí)際應(yīng)用僅為幾毫瓦特的二極管激光，臨床用于治療的中強(qiáng)度激光也僅有幾瓦特。最后，激光的發(fā)射方式也決定著治療的效果，如短脈沖連續(xù)發(fā)射的激光，可以獲得一千瓦特或更高強(qiáng)度、吸光性好的激光，用于清除硬組織。

②激光美容。能量高、聚焦精、穿透力強(qiáng)的激光照射人體組織產(chǎn)生高熱量后，可去除或破壞目標(biāo)組織。激光儀利用這一原理，采用各種不同波長(zhǎng)的脈沖激光，治療雀斑、老年斑等;用激光治療鮮紅斑痣，其周圍組織損傷小、無疤痕、無色素沉著，是該疾病治療史上的一次革命。激光還可治療毛細(xì)血管擴(kuò)張的各種血管性皮膚病，特定波長(zhǎng)的激光被含氧血紅蛋白選擇吸收后，精確安全地使血管發(fā)病組織被高度破壞，不影響鄰近組織，達(dá)到精準(zhǔn)治療。用激光治療眼袋，不出血、無需縫合、水腫輕、恢復(fù)快，無瘢痕的諸多優(yōu)點(diǎn)，令傳統(tǒng)手術(shù)望塵莫及。此外，稀土Er激光則用于除皺、磨皮、換膚、美白牙齒及打鼾治療。激光除皺術(shù)，高能量、極短脈沖激光使老化和受損的皮膚組織瞬間汽化，且不出血，精確控制皮膚表層的深度，不傷周圍組織。同時(shí)新生的膠原質(zhì)可以補(bǔ)充到流失的膠原，皮膚褶皺被填充，另外真皮組織層被加熱，促進(jìn)了人體組織的二次生長(zhǎng)，真皮層的厚度增加?？梢哉f，激光高科技開啟了醫(yī)學(xué)美容的新紀(jì)元。

3.2? 軍事領(lǐng)域的“神奇”

①激光武器。1983年，美國(guó)總統(tǒng)里根在“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃演講中，繪聲繪色地描繪了太空戰(zhàn)的激光武器。它有何威力呢？激光以30萬km/s的速度飛行，變向靈活，瞄準(zhǔn)即中，積聚高能量，無發(fā)射性污染。它又是如何擊毀目標(biāo)呢？第1大絕技“穿孔術(shù)”，高功率和高密度的激光束擊中目標(biāo)后，可將其表面材料瞬間熔化、汽化或蒸發(fā)，所產(chǎn)生的向外噴射的汽化物，能夠形成極大的沖擊波使其穿孔。第2大絕技“層裂術(shù)”，在高能量強(qiáng)激光作用下，擊中目標(biāo)的表面材料原子使其電離成等離體“云”向外膨脹而噴射，所產(chǎn)生的應(yīng)力波將目標(biāo)材料徹底拉斷，并將其撕裂，這就是所謂的“層裂術(shù)”的威力。威力無比的等離體“云”，還有它的殺手锏紫外線或X光，則完全可以毀滅敵方目標(biāo)結(jié)構(gòu)和電子元件。

激光武器又有哪些類型呢？主要分為戰(zhàn)術(shù)激光武器、戰(zhàn)略激光武器2大類。在戰(zhàn)術(shù)激光武器中，激光作為能量直接殺傷敵方人員、擊毀目標(biāo)。主要代表有激光槍和激光炮，能發(fā)出強(qiáng)激光束攻擊敵方。激光槍的樣式與普通步槍相似，由激光器、激勵(lì)器、擊發(fā)器和槍托構(gòu)成，1978年美國(guó)制造出了第一支激光槍。戰(zhàn)術(shù)激光武器的“挖眼術(shù)”，不但使飛機(jī)失控墜毀，炮手喪失戰(zhàn)斗力，還可摧毀參戰(zhàn)士兵心理防線，威懾力遠(yuǎn)超于常規(guī)武器。1982年，在馬島戰(zhàn)爭(zhēng)中，英國(guó)就在航空母艦和護(hù)衛(wèi)艦安裝了激光致盲武器，使阿根廷的戰(zhàn)機(jī)或誤入英軍的射擊火網(wǎng)或失控墜毀，可見其威力。

戰(zhàn)略激光武器，主要是遠(yuǎn)距離攻擊洲際導(dǎo)彈、偵察衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等。1975年，美國(guó)的2顆偵察衛(wèi)星，就被前蘇聯(lián)的激光武器擊中，使其成為“瞎子”。20世紀(jì)70年代以來，美俄2國(guó)積極研發(fā)反衛(wèi)星和反戰(zhàn)略導(dǎo)彈的各類激光武器試驗(yàn)?？梢?，高基高能激光武器是世界軍事大國(guó)宇宙空戰(zhàn)的利器，居高臨下實(shí)施閃擊戰(zhàn)，以摧毀敵方的各類衛(wèi)星和洲際導(dǎo)彈等。如化學(xué)、準(zhǔn)分子、自由電子、調(diào)射線等激光器，用于研制五花八門的反戰(zhàn)略導(dǎo)彈激光武器。

②激光雷達(dá)，特指以激光器作為輻射源的雷達(dá)，是激光和雷達(dá)2種技術(shù)“聯(lián)姻”的產(chǎn)生物。通常采用脈沖、連續(xù)波2種工作方式，其發(fā)射機(jī)就是各式激光器，如摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器、二氧化碳激光器等。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是其天線，如半導(dǎo)體光電二極管、光電倍增管等，各式光電探測(cè)器是其接收機(jī)，還包括跟蹤架及信息處理等部件。激光雷達(dá)的2種主要探測(cè)方法：直接探測(cè)和外差探測(cè)。

3.3? 通信領(lǐng)域的“神奇”

激光通信（圖6），指以激光為媒介在大氣空間中傳輸信息的一種通信方式。發(fā)送的“信息”先轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)“光調(diào)制器”將其調(diào)制于“激光器”（光源）的激光束中，“光學(xué)發(fā)射天線”（透鏡）將其發(fā)射出去，在空間中運(yùn)行至目的地。通過“光學(xué)發(fā)射天線”接獲“光信號(hào)”，使其聚焦后送交“光檢測(cè)器”，然后恢復(fù)為電信號(hào)，并還原為“信息”接收完成。激光通信的優(yōu)點(diǎn)：信息容量大、保密性高，抗電磁干擾能力強(qiáng)。早期“激光器（光源）”多采用二氧化碳激光器、氦—氖激光器等，傳輸能力較為理想。此后，激光通信研究很長(zhǎng)時(shí)間徘徊不前，1988年巴西研制成功便攜式半導(dǎo)體激光通信系統(tǒng)。1989年，美國(guó)研制出1種短距離、隱蔽式激光通信系統(tǒng)，將其試用于戰(zhàn)爭(zhēng)，完全符合作戰(zhàn)要求。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，俄羅斯研發(fā)的大功率半導(dǎo)體激光器，將激光通信系統(tǒng)推入實(shí)用化研究的快車道。半導(dǎo)體激光器、光學(xué)天線等制作技術(shù)的提升，信號(hào)壓縮編碼等技術(shù)日臻完善，激光大氣通信的發(fā)展蓄勢(shì)待發(fā)。

3.4? 工業(yè)和加工領(lǐng)域的“神奇”

①激光玻璃，是以玻璃為基質(zhì)的固體激光材料，主要用于高功率和高能量激光器。由基質(zhì)玻璃和激活離子組成，前者決定其各種物理化學(xué)性質(zhì)，后者決定光譜性質(zhì)，當(dāng)然彼此間也會(huì)“合作”。

②激光冷卻，這一高新技術(shù)，主要是利用激光和原子的相互作用，使原子減速運(yùn)動(dòng)，從而獲得超低溫原子。主要應(yīng)用于原子光學(xué)、原子鐘、原子激光、高分辨率光譜，以及光和物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。

③激光傳感器，由激光器、激光檢測(cè)器、新型測(cè)量?jī)x表等組合而成，以激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。1969年，激光遙感器就被用于勘測(cè)地球與月球間的距離，并獲得了較精確的數(shù)據(jù)。激光測(cè)速快、精度高的特點(diǎn)，尤其適合無接觸的遠(yuǎn)距離測(cè)量。

④激光測(cè)云儀，該儀器主要通過激光照射大氣層，使其能量衰減，依據(jù)其能量的衰減程度以及云層水分子的含量，來判斷云層結(jié)構(gòu)和距離。

⑤激光加工（圖7）， 激光束用于材料的加工處理，如切割、焊接、打孔、微加工，以及識(shí)別物體的技術(shù)，如1974年研發(fā)的第1個(gè)超市條形碼掃描器。激光還用于加工系統(tǒng)和工藝技術(shù)，涂敷和熱處理，以及快速成型等。激光聚焦到1個(gè)小斑點(diǎn)上，其尺寸近似光的波長(zhǎng)，該處的功率密度可達(dá)107～1011W/cm2，溫度可達(dá)萬度以上，亮度約等于100億倍的太陽光。高能量激光聚焦照射加工材料，使其急劇熔化、瞬時(shí)氣化，強(qiáng)烈的沖擊波使熔化物爆炸式噴濺，使材料剝離或去除。計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)融入了激光加工系統(tǒng)，加工技術(shù)體系得以實(shí)現(xiàn)了高效化和自動(dòng)化，使加工生產(chǎn)更加優(yōu)質(zhì)和高效。

4? ?我國(guó)的“激光神奇”

20世紀(jì)60年代初，中國(guó)的激光技術(shù)迎頭趕上，以鄧錫銘（圖8）為代表的光學(xué)、激光科學(xué)家們積極開拓激光科技領(lǐng)域，先后主持研制成功第1臺(tái)紅寶石激光器、氦氖氣體激光器，獨(dú)立提出“激光器Q開關(guān)原理”“光流體模型”，發(fā)明了“列陣透鏡”。推進(jìn)了高功率激光驅(qū)動(dòng)器及激光聚變的研究，建成了最大的激光裝置——“神光”（圖9），以此裝置在慣性約束聚變、X光激光等高科技前沿領(lǐng)域，并取得了系列重大科研成果，為我國(guó)的激光事業(yè)作出了杰出貢獻(xiàn)。

1964年，我國(guó)著名物理學(xué)家王淦昌院士（圖10），提出了“激光核聚變”初步理論，此后該領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先地位。1974年，我國(guó)采用一路激光驅(qū)動(dòng)聚氘乙烯靶產(chǎn)生核反應(yīng)，觀察到氘氘反應(yīng)產(chǎn)生的中子[9]。此后，著名理論物理學(xué)家于敏院士 （圖11）提出了一系列實(shí)現(xiàn)激光核聚變的新概念及新理念。1986年，聶榮臻元帥特意致信祝賀“神光”的成功研發(fā)，這是我國(guó)自主研發(fā)的激光核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

此外，工業(yè)激光領(lǐng)域研發(fā)成果及其市場(chǎng)的開拓也碩果不斷，尤其是大功率激光切割機(jī)。國(guó)內(nèi)研發(fā)與生產(chǎn)力度的加大，縮小了與國(guó)外產(chǎn)品的質(zhì)量和價(jià)格差距。2010年上海國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上，來自世界各地20家生產(chǎn)商參展，帶來了30臺(tái)大功率數(shù)控激光切割機(jī)，我國(guó)的三維激光切割機(jī)、光纖激光切割機(jī)等新產(chǎn)品，成為展會(huì)的亮點(diǎn)。但是，我國(guó)的激光產(chǎn)業(yè)鏈還未形成，主要瓶頸是新型大功率激光器及其核心部件依賴于國(guó)外技術(shù)，如電容切割頭和光學(xué)鏡片的研發(fā)能力有待提高，想要與國(guó)外技術(shù)抗衡，還任重道遠(yuǎn)。

5? 結(jié)語

隨著信息化和智能化新時(shí)代的到來，信息在我們現(xiàn)代社會(huì)生活中的重要性前所未有。激光引發(fā)的人類“信息革命”，無論是光盤存儲(chǔ)還是激光照排，不僅極大地提高了生產(chǎn)和工作效率，更便捷于信息的存儲(chǔ)和提取，而且激光的時(shí)空控制性強(qiáng)，加工自由度高。我們要持續(xù)提升激光技術(shù)，推進(jìn)其應(yīng)用發(fā)展，牢牢抓住“激光革命”的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，為人類創(chuàng)造更多的“激光奇跡”。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.018

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