激光的最初中文名叫做“鐳射”、“萊塞”,是它的英文名稱LASER的音譯,是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個(gè)字母組成的縮寫詞。意思是“受激輻射的光放大”。激光的英文全名已完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。
激光是20世紀(jì)以來(lái),繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后,人類的又一重大發(fā)明,被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的原理早在 1916 年已被著名的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn),但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐 迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的,它一問(wèn)世,就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展,激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生,而且導(dǎo)致整個(gè)一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所未有的先進(jìn)方法和手段,去獲得空前的效益和成果,從而促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。
激光的產(chǎn)生原理:
受激輻射基于偉大的科學(xué)家愛(ài)因斯坦在1916年提出的一套全新的理論。這一理論是說(shuō)在組成物質(zhì)的原子中,有不同數(shù)量的粒子(電子)分布在不同的能級(jí)上,在高能級(jí)上的粒子受到某種光子的激發(fā),會(huì)從高能級(jí)跳到(躍遷)到低能級(jí)上,這時(shí)將會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光,而且在某種狀態(tài)下,能出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”, 一段激活物質(zhì)就是一個(gè)激光放大器。
激光的特點(diǎn):
(一)定向發(fā)光
普通光源是向四面八方發(fā)光。要讓發(fā)射的光朝一個(gè)方向傳播,需要給光源裝上一定的聚光裝置,如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡,使輻射光匯集起來(lái)向一個(gè)方向射出。激光器發(fā)射的激光,天生就是朝一個(gè)方向射出,光束的發(fā)散度極小,大約只有0.001弧度,接近平行。1962年,人類第一次使用激光照射月球,地球離月球的距離約38萬(wàn)公里,但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好,看似平行的探照燈光柱射向月球,按照其光斑直徑將覆蓋整個(gè)月球。
(二)亮度極高
在激光發(fā)明前,人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高,與太陽(yáng)的亮度不相上下,而紅寶石激光器的激光亮度,能超過(guò)氙燈的幾百億倍。因?yàn)榧す獾牧炼葮O高,所以能夠照亮遠(yuǎn)距離的物體。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產(chǎn)生的照度約為0.02勒克斯(光照度的單位),顏色鮮紅,激光光斑明顯可見。若用功率最強(qiáng)的探照燈照射月球,產(chǎn)生的照度只有約一萬(wàn)億分之一勒克斯,人眼根本無(wú)法察覺(jué)。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。大量光子集中在一個(gè)極小的空間范圍內(nèi)射出,能量密度自然極高。
(三)顏色極純
光的顏色由光的波長(zhǎng)(或頻率)決定。一定的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一定的顏色。太陽(yáng)光的波長(zhǎng)分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間,對(duì)應(yīng)的顏色從紅色到紫色共7種顏色,所以太陽(yáng)光談不上單色性。發(fā)射單種顏色光的光源稱為單色光源,它發(fā)射的光波波長(zhǎng)單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源,只發(fā)射某一種顏色的光。單色光源的光波波長(zhǎng)雖然單一,但仍有一定的分布范圍。如氪燈只發(fā)射紅光,單色性很好,被譽(yù)為單色性之冠,波長(zhǎng)分布的范圍仍有0.00001納米,因此氪燈發(fā)出的紅光,若仔細(xì)辨認(rèn)仍包含有幾十種紅色。由此可見,光輻射的波長(zhǎng)分布區(qū)間越窄,單色性越好。
激光器輸出的光,波長(zhǎng)分布范圍非常窄,因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例,其光的波長(zhǎng)分布范圍可以窄到2×10-9納米,是氪燈發(fā)射的紅光波長(zhǎng)分布范圍的萬(wàn)分之二。由此可見,激光器的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何一種單色光源。(四)能量密度極大
光子的能量是用E=hγ來(lái)計(jì)算的,其中h為普朗克常量,γ為頻率。由此可知,頻率越高,能量越高。激光頻率范圍3.846*10^(14)Hz到7.895*10^(14)Hz.
激光能量并不算很大,但是它的能量密度很大(因?yàn)樗淖饔梅秶苄?,一般只有一個(gè)點(diǎn)),短時(shí)間里聚集起大量的能量,用做武器也就可以理解了。目前激光技術(shù)及其應(yīng)用研究?jī)?nèi)容包括:
⑴超快超強(qiáng)激光:超快超強(qiáng)激光主要以飛秒激光的研究與應(yīng)用為主,作為一種獨(dú)特的科學(xué)研究的工具和手段,飛秒激光的主要應(yīng)用可以概括為三個(gè)方面,即飛秒激光在超快領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用、在超強(qiáng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和在超微細(xì)加工中的應(yīng)用。其中飛秒激光超微細(xì)加工是當(dāng)今世界激光、光電子行業(yè)中的一個(gè)極為引人注目的前沿研究方向。
⑵新型激光器研究:激光測(cè)距儀是激光在軍事上應(yīng)用的起點(diǎn),將其應(yīng)用到火炮系統(tǒng),大大提高了火炮射擊精度。激光雷達(dá)相比于無(wú)線電雷達(dá),由于激光發(fā)散角小,方向性好,因此其測(cè)量精度大幅度提高。由于同樣的原因,激光雷達(dá)不存在"盲區(qū)",因此尤其適宜于對(duì)導(dǎo)彈初始階段的跟蹤測(cè)量。但由于大氣的影響,激光雷達(dá)并不適宜在大范圍內(nèi)搜索,還只能作為無(wú)線電雷達(dá)的有力補(bǔ)足。
⑶激光醫(yī)療:激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類:激光診斷與激光治療,前者是以激光作為信息載體,后者則以激光作為能量載體。多年來(lái),激光技術(shù)已成為臨床治療的有效手段,也成為發(fā)展醫(yī)學(xué)診斷的關(guān)鍵技術(shù)。它解決了醫(yī)學(xué)中的許多難題,為醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)?,F(xiàn)在,在基礎(chǔ)研究、新技術(shù)開發(fā)以及新設(shè)備研制和生產(chǎn)等諸多方面都保持持續(xù)的、強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。
⑷激光化學(xué):激光化學(xué)的應(yīng)用非常廣泛。制藥工業(yè)是第一個(gè)得益的領(lǐng)域。應(yīng)用激光化學(xué)技術(shù),不僅能加速藥物的合成,而又可把不需要的副產(chǎn)品剔在一旁,使得某些藥物變得更安全可靠,價(jià)格也可降低一些。又如,利用激光控制半導(dǎo)體,就可改進(jìn)新的光學(xué)開關(guān),從而改進(jìn)電腦和通信系統(tǒng)。激光化學(xué)雖然尚處于起步階段,但其前景十分光明。
目前全球業(yè)界公認(rèn)的發(fā)展最快的、應(yīng)用日趨廣泛的最重要的高新技術(shù)就是光電技術(shù)。而在光電技術(shù)中,其基礎(chǔ)技術(shù)之一就是激光技術(shù)。21世紀(jì)的激光技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將支撐并推進(jìn)高速、寬帶、海量的光通信以及網(wǎng)絡(luò)通信,并將引發(fā)一場(chǎng)照明技術(shù)革命,小巧、可靠、壽命長(zhǎng)、節(jié)能半導(dǎo)體(LED)將主導(dǎo)市場(chǎng)。光電技術(shù)將繼微電子技術(shù)之后再次推動(dòng)人類科學(xué)技術(shù)的革命和進(jìn)步,激光產(chǎn)品已成為現(xiàn)代武器的"眼睛"和"神經(jīng)"。激光的研究必將對(duì)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)步起到巨大推動(dòng)作用。
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