激光的應用與發展

傅哲泓

摘 要 激光作為新生代光源，在各個行業都得到了廣泛的應用和發展。本文從激光的產生出發，介紹了激光應用的現狀，以及激光技術的發展趨勢，同時還介紹了國內激光技術存在的一些問題，希望能對今后我國激光技術的發展提供相應的參考。

【關鍵詞】激光激光應用 發展趨勢

1 引言

二十世紀能夠和半導體、原子能、計算機技術相提并論的重大科學技術成果就是激光器的發明。從激光器誕生至今其發展速度令人驚嘆，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”中的科學含義，同時在國內的科學界認知程度相對較高并且沿用至今。

2 激光的歷史

偉大的科學家愛因斯坦于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家，特別在微波領域相對研究顯著，他們所發表的“紅外與光學激射器”一文中指出以“受激輻射”為主的發光的必要條件是“粒子數反轉”；與此同時普羅霍羅夫和巴索夫是前蘇聯的科學家也發表一篇關于“實現三級粒子數反轉和半導體激光器建議”的文章；1960年梅曼博士在美國加州一家飛機公司研究出了世界上首臺紅寶石激光器，并且成為了世界上的第一束激光，的之后在1964年由于前蘇聯這兩位科學家普羅霍羅夫和巴索夫為激光研制的貢獻，獲得了諾貝爾物理學獎。

梅曼發明第一臺激光器的幾個月后，中國第一臺紅寶石激光器在中國科學院精密機械研究所誕生。這個中國第一與世界第一相比在結構設計上有新的改進。之后我國的激光技術飛速發展。

我國激光技術自誕生至今發展非常迅速，在數量以及質量上都可以與國際水平相媲美。此項創新型的激光技術能夠如此快速的發展并且位居世界前列，在我國近代史中非常少見。

3 激光器結構及其主要特性

激光器主要由激光工作介質、激勵源、諧振腔三部分構成，激光工作的介質：介質受到輻射的刺激而產生的激光，激光的產生需要有相對應的介質（比如：氣體、固體、液體以及半導體）；刺激源：粒子數會受到輻射刺激而反轉，其中主要的方式有電、光、化學等激勵的刺激等等；諧振腔：通過諧振腔將光進行放大，可以產生較高能量的激光。

激光因為其具有獨特的優異性而被廣泛的應用：

（1）激光具有較好的方向性，激光的發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的基準器氫燈相對高出6個數量級。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 激光應用現狀及發展趨勢

激光所具有的獨特的性能，使其在眾多領域中被廣泛應用，近些年隨著激光技術的迅速發展期應用領域也在不斷的擴展。在實際應用中，對于激光的特性的要求不是同時具有幾個性能，多數都是要求其突出性能。

4.1 激光應用現狀

4.1.1 激光測量

根據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、激光準直儀以及激光雷達等。

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 ，遠距離測程>15km，同時按照測量規范將測距儀按測量精度劃分為三個等級： I級：<5mm，II級：5-10mm，II1級：11-20mm。

激光雷達是利用各種激光器構成的發射機，其測量的主體是運動中的目標，可以通過激光雷達測量出被測物的三維的立體圖像和運動速度等相關信息，對于發現隱藏的目標有很大幫助。所以可以通過使用激光雷達的這種特點對空氣進行監測，比如大氣的污染程度、摻雜的有毒物質，也可以通過對空氣的溫度、能見度、濕度、風俗等一些指標進行測量。我國的激光雷達技術被成功運用到對古長城的測繪中，2008年一座具有明清時期特征的山海關古城呈現在世人眼中就是利用此項技術修復的。

激光準直儀在科學實驗以及工業生產中起著重要作用，比如用于安裝發動機主軸系統等精密工作。

4.1.2 激光在農業、林業、畜牧業中的應用

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

國外相關人員研制出激光成像儀器，能夠發出激光脈沖信號，并且對該信號返回時間進行記錄。這種儀器安裝在農用噴灑飛機上，脈沖信號能夠自動掃描飛機下方的樹木，農作物等，能有有效的避免飛機在噴灑藥物時對空地上噴灑的浪費，據統計通過使用這種儀器可以節省40%的藥物，同時也減少了環境污染。

激光在畜牧業中的應用也是很重要的，例如：經過激光進行照射過的草料等，動物吃后更容易吸收一下；山羊的鏡子在經過用氦氖激光器照射后可以延長其生存的時間，這就對畜牧業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、物理研究中的應用

激光在當代生活中有著更為廣泛的應用，自從早期的CD機、激光打印機、復印機以及激光照排機等都用到了激光技術；到現在用到的激光防偽、激光條形碼識別技術、激光舞臺等等，生活中的各個方面都有激光的痕跡。

4.1.4 激光工業應用

未來的精密設備在生產中使用激光技術是未來的發展趨勢，并且能夠體現出一個國家在制造設備中生產加工的技術水平能力以及設備能力和市場競爭能力。利用激光的生產，加工技術在各種的金屬材料，非金屬材料中的加工制造有著廣泛的應用前景。

工業中應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、半導體激光器等。這幾種激光器都具有各自的特點，如：固體激光器發出的光速質量較好，二氧化碳激光器生產使用成本較低，半導體激光器發光的效率相對較高。

在當代重工業生產加工中，比如對材料的切割、打孔、焊接、表面處理等過程中，都能夠體現出激光技術的優越性能。同時激光的運動軌跡可以通過計算機軟件進行控制，激光技術的加工也屬于非接觸式，因此其使用壽命以及穩定性都相對較好。目前在半導體行業中，光刻技術已經成為半導體工業中的中流砥柱。利用激光器的在線加工技術已成為不可缺少的一部分。

4.1.5 激光通信及存儲

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主要應用于軍事領域中。其主要的特點是通信保密性能較好，很難被破解以及干擾。光纖通信特點是容量大，成本較低，目前光纖通信的迅速發展，已經成為最重要額領域之一。

4.1.6 激光醫學應用

激光技術在醫學領域中應用也是非常廣泛的，甚至是不可缺少的。生物體通過激光的刺激能夠產生很多種效應，比如：壓力效應、電磁效應、熱效應、光化效應等。有時可能出現幾種效應同時存在。

利用激光技術生產的一些醫療器材被應用于手術、人體照射中，其醫療設備可以分為激光診斷儀、激光治療儀以及激光檢測設備。使用激光美容、激光眼科手術、激光切除腫瘤等技術都在告訴的發展。相關研究表明，利用紫光激光器治療軟組織效果非常明顯，打破了傳統二氧化碳激光器治療此類疾病的常規認識。

4.1.7 發展中的高能激光武器

激光技術不僅能在生活生產中廣泛應用，同時在軍事裝備中也是占有一席之位的，高能激光產生的激光束能夠對事物產生破壞力甚至將其摧毀，這既是激光在定向武器中的應用，其核心就是高能激光器。激光對于所破壞的目標產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。

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

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

化學類激光武器的主要缺點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量不高。

固體激光武器主要用作于軟殺傷性武器，可以實現的輸出功率一般在千、萬瓦級別。固體激光器的優點有重量輕、體積小、性能穩定。便于攜帶等。 據《激光世界》報道，美國諾·格公司推出的小型高能固態激光器可用于多種軍事用途。

4.2 激光器發展趨勢

4.2.1 功率逐步提高

目前多個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：一是能夠發射出數百焦耳的長脈沖，二是能夠發射出不連續每個脈沖為數十焦耳的短脈沖。

超短波超強型飛秒激光器多數用于激光核聚變的實驗中以及對于高能量高密度的物理研究中，同時此類激光器自商業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，固體激光器的發展相對繁華和興旺，隨著半導體激光器的快速發展，二極管的泵浦激光器的技術成為主要研究對象以及技術支持。有相關的研究表明，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、遠距離紅外激光器、紫外線激光器等技術也在迅猛的發展著，現在已經有數千種工作介質，可以產生波長從真空紫外線到遠紅外，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時約為81%。

5 全球激光產業現狀及發展趨勢

在世界范圍內激光器方面的市場主要分為三大區域：美國市場、歐洲市場、日本和太平洋市場。由于半導體激光器日益快速的發展，導致固體激光器二極管泵浦在工業級別的設備制造以及加工中所占有的市場份額越來越多。根據相關的數據統計顯示，在全球工業生產用激光的系統在2001年的產值達到了29.9億美元，在2003年激光系統產業的產值為31.11億美元，到2004年全球激光系統產值為32.11億美元。在全球市場上，日本所占有的技術上的市場份額處于領先地位，占全球的二分之一；然后是美國在激光醫療設備以及激光檢測等方面占有的份額較大處于領先地位。

縱觀世界激光產的發展狀況，能夠了解到一下幾點發展趨勢：首先激光源方面，半導體泵浦固體激光器以及半導體激光器是主導產業；其次激光技術對于產品的投入以及產出技術優化更加明顯，產品融合方面與服務中技術含量逐漸提高，更加貼近人們生活中。

6 國內激光產業現狀及存在的主要問題

激光技術在加工作業方面已被廣泛應用在電子、電器、航天、軍工、汽車生產制造、冶金、機械設備制造等各個重要的國民經濟部門，對于產品的質量提高，生產效率、自動化技術、降低污染、減少材料損耗等方面都起著重要作用。

二十世紀九十年代初，我國在武漢市成立了激光加工研制中心，而且是國家級的，目的是使激光產業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合激光加工研究中心，另外，很多的研究機構和全國的各大高等院校都組建了激光的加工技術有關的研究和推廣，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，是整個企業看到了生機，在1995年的時候產出的激光毛化鋼板出口達千萬美元；西安一家內燃機配件廠組建了激光技術的熱處理生產線，使其生產的內燃機缸的壽命提高進3倍，并且在國內被廣泛應用。因此，激光技術產業會使傳統工業生產制造產生重大變革。然而，作為今后加工業為主的中國，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進行大力推廣。

近幾年，中國激光產業市場呈現出相對穩定、增速較快的態勢，但是在激光行業迅猛發展的同時，人們應該清楚的體會到對于我國激光產業起步晚，基礎差，同世界領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、技術創新方面薄弱，配套能力較差、在技術管理上沒有健全良好的技術評價體系，這些都是我們今后所面臨以及需要解決的問題。

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