激光技术的发展和应用简介

激光技术的发展和应用简介学院机电工程学院专业班级测控三班姓名学号摘要：激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。本文简要的介绍了一下激光的起源和激光在中国的发展史，并在此基础上从工业、医疗、信息等几个主要领域简单介绍了激光技术的重要应用及其发展前景。关键词：激光，发展，激光应用，激光技术一．激光的起源激光的理论基础起源于大物理学家‘爱因斯坦’，1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘受激辐射’。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将钠光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了激光原理，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文。肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。1960年7月7日，梅曼研制成功世界上第一台激光器，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激在红宝石色水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。二．中国激光技术的发展“激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation取字头组合而成的专门名词，在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用。（1）我国早期激光技术的发展1957年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称“光机所”）。在老一辈专家带领下，一批青年科技工作者迅速成长，邓锡铭是其中的突出代表。早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发表不久，他便积极倡导开展这项新技术研究，在短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍，提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。1960年世界第一台激光器问世。1961年夏，在王之江主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功。此后短短几年内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果。各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，显示出强大的生命力和竞争力。通信方面，1964年9月用激光演示传送电视图像，1964年11月实现3～30公里的通话。工业方面，1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产，获得显著经济效益。医学方面，1965年6月激光视网膜焊接器进行了动物和临床实验。国防方面，1965年12月研制成功激光漫反射测距机（精度为10米/10公里），1966年4月研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。可以说，在起步阶段我国的激光技术发展迅速。（2）改革开放后取得前所未有的进步改革开放以来，激光技术获得了空前发展的机遇。20多年来，面向应用，面向世界，面向未来，激光科技事业取得了前所未有的进步，涌现出一批国际先进水平的成果，为迈向21世纪打下了坚实的基础。1980年5月，分别在上海、北京举行了第一次国际激光会议，与会代表218人（国外66人），宣读113篇报告（国外65篇），邓小平同志亲切接见了与会中外代表。1983年在广州和1986年在厦门又举行了第二次、第三次国际会议，改变了我国的激光技术多年来封闭运转的局面，开始走向世界。一大批年轻科技人才出国进修，其中相当一部分优秀人才学成归国。为了形成高水平的研究开发中心，对科研队伍和布局进行了积极调整，先后成立了一批国家重点实验室、开放实验室、国家工程研究中心和产学研组织。由于拥有国际先进的仪器设备和设施，聚集了高水平的科技人才，又有较为灵活的运行机制，目前正在为激光科技成果转化、创造自主知识产权和促进激光技术产业化发挥重要作用。激光器研究向纵深发展，不断追求高光束质量、高稳定性、长寿命、短脉冲、波长可调谐等目标。这一时期，激光技术成果丰硕，许多具有重大应用价值和达到国际先进水平。三、激光技术的应用激光的应用，按照激光探头是否与激光作用的物质接触，分为接触式和非接触式两种工作模式。激光应用的领域，主要有工业、医疗、商业、科研、信息和军事六个领域。下面主要从激光在工业、医疗、信息和军事四个方面来简单介绍一下激光技术的应用：（1）激光技术在工业中的应用激光在工业上，应用极为广泛，因为激光在激光束聚焦在材料表面的时候能够使材料熔化，使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。七十年代后,为了改善和提高火焰切割的切口质量,又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。在工业生产中有一定的适用范围。激光玻璃激光玻璃是一种以玻璃为基质的固体激光材料。它广泛应用于各类型固体激光光器中，并成为高功率和高能量激光器的主要激光材料。激光玻璃由基质玻璃和激活离子两部分组成。激光玻璃各种物理化学性质主要由基质玻璃决定，而它的光谱性质则主要由激活离子决定。但是基质玻璃与激活离子彼此间互相作用，所以激活离子对激光玻璃的物理化学性质有一定的影响，而基质玻璃对它的光谱性质的影响有时还是相当重要的。激光冷却激光冷却（lasercooling）利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。这一重要技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数，用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标（原子钟），后来却成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法。激光冷却有许多应用，如：原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。激光光谱光谱（laserspectra）以激光为光源的光谱技术。与普通光源相比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，是用来研究光与物质的相互作用，从而辨认物质及其所在体系的结构、组成、状态及其变化的理想光源。激光的出现使原有的光谱技术在灵敏度和分辨率方面得到很大的改善。由于已能获得强度极高、脉冲宽度极窄的激光，对多光子过程、非线性光化学过程以及分子被激发后的弛豫过程的观察成为可能，并分别发展成为新的光谱技术。激光光谱学已成为与物理学、化学、生物学及材料科学等密切相关的研究领域。激光传感器激光传感器（lasertransducer）利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。激光是最准的尺。激光测云仪利用激光在大气层中的衰减来判断云层。具体的是当激光在大气层中传越时，由于发射的能量与接收的能量之间有能量差，利用能量的衰减度与云层的水分子的含量多少来判断云层结构和距离的仪器。（2）激光在医疗方面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。多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面：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。下面简单介绍一下激光全息成像和激光手术。激光全息成像。全息照相术与一般照相不同，照相是记录物体信息的一种技术，一般是将物体通过透镜成像在底片上，底片乳胶只记录光强(振幅)，而不能记录相位，因而失掉了三维特征。而全息照相底片上不只记录光强(振幅)，也记录相位(各点间的相互位相关系)，也就是记录物的全部信息，所以称为全息。全息照片的实质是将来自物体的波前和另一个参考波(通常是平面波或球面波)相干涉，底片记录干涉条纹，将同样的参考波照射此底片时，可在相应位置重新出现三维物体。例如，利用全息可以拍到活体眼的角膜、晶状体和视网膜相片，从而对眼的各层介质进行活体观察，这是用其它方法难以办到的眼全息图，亦可表示出眼内的异物的大小、形状和位置。激光手术。激光可作为良好的手术刀用，它不但运用于一切手术开刀，而且具有良好的选择性，与常规手术刀相比，激光手术的最大特点是失血少，对于某些部位和器官用激光作手术最有优越性。用激光“刀”来切开骨头，几乎和切皮肤一样“快”，这就比普通手术刀优越多了。一般来说，切骨手术要使用锯子和凿子，比如打开一小块头骨就要用一个小时，医生费力，病人受苦。使用激光“刀”，就可以大大减轻医生的劳动强度，并减轻病人的痛苦。激光“刀”的另一个突出优点是激光对生物组织有热凝固效应，因此它可以封闭切开的小血管，减少出血。医生在激光“刀”的帮助下，向手术禁区发动了进攻，攻克了一个个顽固堡垒。比如血管瘤，一动刀就会出血，往往危及生命，是碰不得的地方；医术再高明的医生也爱莫能助。自从有了防止出血的激光手术“刀”，医生就大胆地闯入了这块禁地了。用激光“刀”为病人治疗口腔血管瘤，手术成功率高达90％。医务工作者还用激光“刀”成功地对血管十分丰富的肝脏禁区进行了手术。与传统医学诊断和治疗方法对比，激光诊断技术对病体的诊断更准确方便，激光手术刀更是有其快速、精确、安全可靠、出血少、伤口愈合快等传统手术无法比拟的突出优点，在不久的将来，激光诊断和治疗将会成为医疗的重要手段。（3）激光技术在信息方面的应用激光通信，是激光在大气空间传输的一种通信方式。激光大气通信的发送设备主要由激光器（光源）、光调制器、光学发射天线（透镜）等组成；接收设备主要由光学接收天线、光检测器等组成。信息发送时，先转换成电信号，再由光调制器将其调制在激光器产生的激光束上，经光学天线发射出去。信息接收时，光学接收天线将接收到的光信号聚焦后，送至光检测器恢复成电信号，在还原为信息。大气激光通信的容量大、保密性好，不受电磁干扰。但激光在大气中传输时受雨、雾、雪、霜等影响，衰耗要增大，故一般用于边防、海岛、跨越江河等近距离通信，以及大气层外的卫星间通信和深空通信。早期的激光大气通信所用光源多数为二氧化碳激光器、氦－氖激光器等。二氧化碳激光器输出激光波长为10.6微米，此波长正好处在大气信道传输的低损耗窗口，是较为理想的通信光源。从70年代末到80年代中期，由于在技术实现上难以解决好全天候、高机动性、高灵活性、稳定性等问题，激光大气通信的研究陷入低潮。1988年，巴西宣布研制成功一种便携式半导体激光大气通信系统。这种通过激光器联通线路的军用红外通信装置，其外形如同一架双筒望远镜，在上面安装了激光二极管和麦克风。使用时，一方将双筒镜对准另一方即可实现通信，通信距离为1千米，如果将光学天线固定下来，通信距离可达15千米。1989年，美国成功地研制出一种