激光的应用与发展

摘 要：激光作为新生代光源，在各个行业都得到了广泛的应用和发展。本文从激光的产生出发，介绍了激光应用的现状，以及激光技术的发展趋势，希望能对今后我国激光技术的发展提供相应的参考。

关键词：激光；激光应用；發展趋势

引言

二十世纪能够和半导体、原子能、计算机技术相提并论的重大科学技术成果就是激光器的发明。从激光器诞生至今其发展速度令人惊叹，激光光源便成为了在人来的历史中的重大变革。激光专用名词英文组合名称为LightamplificationbyStimularedemissionofradiation，取英文首字母LASER。钱学森院士于1964年提议将其取名为“激光”，而且能够反映出“受激辐射”中的科学含义，同时在国内的科学界认知程度相对较高并且沿用至今。

1 激光的起源

1917年，爱因斯坦提出受激辐射的概念；1958年，美国2位微波领域的科学家汤斯和肖洛发表了著名论文“红外与光学激射器”，指出了以受激辐射为主的发光的可能性，以及必要条件是“粒子数反转”；同年原苏联科学家巴索夫和普罗霍罗夫发表了题为“实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议”的论文；1995年9月，汤斯提出了制造红宝石激光器的建议；1960年5月15，日加州休斯实验室的梅曼研制成功了世界上第1台红宝石激光器，获得了历史上第1束激光，波长为69.43nm；1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫由于对激光研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖。在梅曼发明第1台激光器的巧个月后，在王之江院士的主持下，中国第1台红宝石激光器于1961年8月在中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。这台激光器在结构设计上比世界第1台红宝石激光器有新的改进，在当时的艰苦条件下，长春光机所的研究人员依靠自己的力量，自己动手设计制造了这台激光器。此后，我国的激光技术得到了迅速发展。表1列出了我国各类激光器的“第1台”。

我国激光技术在起步阶段就发展迅速，无论是数量还是质量都和当时国际水平接近。一项创新性技术能够如此迅速地赶上世界先进行列，这在我国近代科技发展史上并不多见。能够将物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件，主要得力于长春光机所多年来在技术光学、精密机械方面的综合能力和坚实基础。一项新技术的开发，没有足够技术支撑很难形成气候。

2 激光器结构及其主要特性

激光器主要由激光工作介质、激励源、谐振腔三部分构成，激光工作的介质：介质受到辐射的刺激而产生的激光，激光的产生需要有相对应的介质（比如：气体、固体、液体以及半导体）；刺激源：粒子数会受到辐射刺激而反转，其中主要的方式有电、光、化学等激励的刺激等等；谐振腔：通过谐振腔将光进行放大，可以产生较高能量的激光。激光因为其具有独特的优异性而被广泛的应用：（1）激光具有较好的方向性，激光的发散角偏离轴线能够精确到毫米的弧度，而且激光具有较高的亮度，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百万倍。（2）激光的单色性较好，激光的单色性能要优于普通的光源很多倍，普通的光源氦氖激光器谱线的宽度要比曾经的基准器氢灯相对高出6个数量级。最后，激光的相干性较好，在激光器中受激辐射的频率输出、传播方向、偏振都是全部相同的光子。

3 激光应用现状及发展趋势

3.1激光应用现状

3.1.1激光测量

利用激光亮度高和方向性极好的特点，研制了激光测距仪、激光雷达和激光准直仪。1965年美国海岸和大地测量局用氦氖激光器代替水银灯作光源，改装出激光测距仪。测距仪按其量程可分为3类：短程—测程<3km，中程—测程为3一15km，长程—测程>>15km，在测量规范中，测距仪按测距精度（以1KM测距中误差表示）分为3级：I级：<5mm，II级：5一10mm，II1级：11--20mm，最近，中国在南美安装了首台人造卫星激光测距仪，主要用于中国国家天文台与阿根廷圣胡安大学天文台合作开展的人造卫星激光测距工作。激光雷达的发射机是各种形式的激光器，测量的是运动目标。激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息，有利于识别隐身目标。激光雷达可以对大气进行监测，遥测大气中的污染和毒剂，还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。由激光雷达发展成的激光制导，在海湾战争中得到了运用，使轰炸目标的精度显著提高。在我国，激光雷达测量技术已成功运用于山海关古长城的测绘。2008年奥运会举办时，一座按照明清时代特征修复的山海关古城将再现世人。激光准直仪在生产和科学实验中发挥重要的作用，例如用于精密安装发动机主轴系统以及用于矿井坑道的挖掘机导向等实际工作中。科研人员利用激光的相干性，成功研制出用于光学系统检测的激光干涉仪。据报道，Zygo公司开发了一种用于非球面测量的新型非接触式激光斐索干涉仪。随着时间的推移，这项新技术必将成为一种广泛的产品测量工具.并将投人商品化生产。

3.1.2激光在农业、林业、畜牧业中的应用

利用激光的亮度较高的特性，能够使用在农作物的育种中，其中的原理为光的诱变，作物和作物自发突变的时间相对减少，刺激生物效应，同时可以选择相应的亮度对作物进行光照，不但可以提高产量还能培育新品种。国外相关人员研制出激光成像仪器，能够发出激光脉冲信号，并且对该信号返回时间进行记录。这种仪器安装在农用喷洒飞机上，脉冲信号能够自动扫描飞机下方的树木，农作物等，能有有效的避免飞机在喷洒药物时对空地上喷洒的浪费，据统计通过使用这种仪器可以节省40%的药物，同时也减少了环境污染。激光在畜牧业中的应用也是很重要的，例如：经过激光进行照射过的草料等，动物吃后更容易吸收一下；山羊的镜子在经过用氦氖激光器照射后可以延长其生存的时间，这就对畜牧业的人工授精繁殖有着非常重要的意义。

3.1.3激光在文娱教育、物理研究中的应用

在现代生活中，从CD机、激光打印机、复印机到激光照排机；从激光防伪、条形码识别、激光指示笔到激光舞台；从听觉到视觉，这五彩斑斓的世界都有激光器的重要贡献。据报道，在2010年前，激光将成为最有竞争力的背投光源，有望促进背投市场大幅增长，使用激光光源的背投电视将作为新一代技术备受业界关注。激光在物理基础研究中也卓有成效。使用激光器可实现对电子的GeV加速。

3.1.4激光工业应用

工业中应用较为广泛的激光器目前包括固体激光器、二氧化碳激光器、半导体激光器等。这几种激光器都具有各自的特点，如：固体激光器发出的光速质量较好，二氧化碳激光器生产使用成本较低，半导体激光器发光的效率相对较高。在当代重工业生产加工中，比如对材料的切割、打孔、焊接、表面处理等过程中，都能够体现出激光技术的优越性能。同时激光的运动轨迹可以通过计算机软件进行控制，激光技术的加工也属于非接触式，因此其使用寿命以及稳定性都相对较好。目前在半导体行业中，光刻技术已经成为半导体工业中的中流砥柱。利用激光器的在线加工技术已成为不可缺少的一部分。

结语

近几年，中国激光产业市场呈现出相对稳定、增速较快的态势，但是在激光行业迅猛发展的同时，人们应该清楚的体会到对于我国激光产业起步晚，基础差，同世界领先的国家相比具有一定的差距以及存在一些问题。如：缺少核心技术、技术创新方面薄弱，配套能力较差、在技术管理上没有健全良好的技术评价体系，这些都是我们今后所面临以及需要解决的问题。

参考文献

[1]激光雷达测绘应用于修复古长城[[J].激光世界，2016.

[2]罗山（译）.世界各国竞相建造的拍瓦激光器[[J].激光与光电子进展，2016，41（01）：12-14.

（作者单位：华中光电技术研究所武汉光电国家实验室）

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