一文看懂激光技術

01-27

導語：自1960年美國研製成功世界上第一台紅寶石激光器，我國也於1961年研製成功國產首台紅寶石激光器（誕生於中國科學院長春光學精密機械研究所）以來，激光技術被認為是20世紀繼量子物理學、無線電技術、原子能技術、半導體技術、電子計算機技術之後的又一重大科學技術新成就。

如今，我們家中用的CD和DVD播放器，辦公室的激光印表機和商場的條碼掃描器都有激光。人們用激光治療近視視力，通過光纖網路發送郵件瀏覽視頻。無論我們是否意識到，我們每個人每天都使用激光，但是有多少人真正了解激光是什麼，如何工作？

激光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發出的，具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。

激光的產生機理可以溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時提出的假說，即光的吸收和發射可經由受激吸收、受激輻射和自發輻射三種基本過程。眾所周知，任何一種光源的發光都與其物質內部粒子的運動狀態有關。當處於低能級上的粒子（原子、分子或離子）吸收了適當頻率外來能量（光）被激發而躍遷到相應的高能級上（受激吸收）後，總是力圖躍遷到較低的能級去，同時將多餘的能量以光子形式釋放出來。

如果光是在沒有外來光子作用下自發地釋放出來的（自發輻射），此時被釋放的光即為普通的光（如電燈、霓虹燈等），其特點是光的頻率大小、方向和步調都很不一致。

但如果是在外來光子直接作用下由高能級向低能級躍遷時將多餘的能量以光子形式釋放出來（受激輻射），被釋放的光子則與外來的入射光子在頻率、位相、傳播方向等方面完全一致，這就意味著外來光得到了加強，我們稱之為光放大。

圖：激光產生機理：（左）受激吸收，（中）自發輻射，（右）受激發射

而激光的產生需要滿足三個條件：粒子數反轉、諧振腔反饋和滿足閾值條件。通過受激吸收，使處於高能級的粒子數比處於低能級的越多（粒子數反轉），還需要在有源區兩端製作出能夠反射光子的平行反射面，形成諧振腔，並使增益大於損耗，即相同時間新產生的光子數大於散射吸收掉的光子數。只有滿足了這三個條件，才有可能產生激光。

激光的特性

激光之所以被譽為神奇的光，是因為它有普通光完全不具備的四大特性。

1.方向性好 ——普通光源（太陽、白熾燈或熒光燈）向四面八方發光，而激光的發光方向可以限制在小於幾個毫弧度立體角內，這就使得在照射方向上的照度提高千萬倍。激光每200千米擴散直徑小於1米，若射到距地球3.8×105km的月球，光束擴散不到2千米，而普通探照燈幾千米外就擴散到幾十米。

激光準直、導向和測距就是利用方向性好這一特性。

2.亮度高 ——激光是當代最亮的光源，只有氫彈爆炸瞬間強烈的閃光才能與它相比擬。太陽光亮度大約是1.865×109cd/m2，而一台大功率激光器的輸出光亮度可以高出太陽光的亮度7～14個數量級。

儘管激光的總能量並不一定很大，但由於能量高度集中，很容易在某一微小點處產生高壓和幾萬攝氏度甚至幾百萬攝氏度的高溫。激光打孔、切割、焊接和激光外科手術等實際應用就是利用了這一特性。

3.單色性好 ——光是一種電磁波。光的顏色取決於它的波長。普通光源發出的光通常包含著各種波長，是各種顏色光的混合。太陽光包含紅、登、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的可見光以及紅外光、紫外光等不可見光。

而某種激光的波長只集中在十分窄的光譜波段或頻率範圍內。如氦氖激光的波長為632.8納米，其波長變化範圍不到萬分之一納米。激光良好的單色性為精密度儀器測量和激勵某些化學反應等科學實驗提供了極為有利的手段。

4.相干性好 ——干涉是波動現象的一種屬性。基於激光具有高方向性和高單色性的特性，它必然會是相干性極好的光。激光的這一特性使全息照相成為現實。

激光器的類型

在光源中，實現能級粒子數反轉是實現光放大的前提，也就是產生激光的先決條件。要實現粒子數反轉，需藉助外來光的力量，使大量原來處於低能級的粒子躍遷到高能級上去，這個過程我們稱之為「激勵」。

我們通常所說的激光器，就是使光源中的粒子受到激勵而產生受激輻射躍遷，實現粒子數反轉，然後通過受激輻射而產生光的放大的裝置。激光器雖然多種多樣，但使命都是通過激勵和受激輻射而獲得激光。因此激光器通常均由激活介質（即被激勵後能產生粒子數反轉的工作物質）、激勵裝置（即能使激活介質發生粒子數反轉的能源，泵浦源）和光諧振腔（即能使光束在其中反覆振蕩和被多次放大的兩塊平面反射鏡）三個部分組成。

圖：激光器的工作原理

由於我們可以以許多不同的方式激發許多不同種類的原子，我們可以（理論上）製造許多不同種類的激光。

激光器有多種分類方式，其中最著名的是固體，氣體，液體染料，半導體和光纖激光器。固態激光器介質是類似紅寶石棒或其他固體結晶材料，並且纏繞在其上的閃光管泵送其充滿能量的原子。為了有效地工作，固體必須摻雜，這是一種用雜質離子代替一些原子的過程，使其具有恰當的能級以產生一定精確頻率的激光。固態激光器產生高功率光束，通常是非常短的脈衝。相比之下，氣體激光器使用惰性氣體（即所謂的準分子激光器）或二氧化碳（CO2）作為介質的化合物產生連續的亮光。 CO2激光器功能強大，效率高，常用於工業切割和焊接。液體染料激光器使用有機染料分子的溶液作為介質，主要優點是可用於產生比固態和氣體激光器更寬的光頻帶，甚至可「調諧」以產生不同的頻率。

按波長來分，覆蓋的波長範圍包括遠紅外、紅外、可見光、紫外直到遠紫外，最近還研製出X射線激光器和正在開發的γ射線光器；

按激勵方式不同，有光激勵（光源或紫外光激勵）、氣體放電激勵、化學反應激勵、核反應激勵等；

按輸出方式不同，有連續的、單脈衝的、連續脈衝的和超短脈衝等；

從功率輸出的大小來看，其中連續的輸出功率小至微瓦級，最大可達兆瓦級。脈衝輸出的能量可從微焦耳至10萬以上焦耳，脈衝寬度由毫秒級到皮秒級乃至飛秒級（1000萬億分之一）。

各式各樣激光器滿足不同的應用要求。如激光加工和某些軍用激光都要求高功率激光或高能量激光（即所謂強激光）。有的希望脈衝時間盡量縮短，以從事某些特快過程的研究。有的還對提高光的單色性、改善輸出光的模式、改善光斑的光強分布以及要求波長可調等提出了很高的要求。這些要求促使著激光器的研究者不斷探索，從而使激光器的探索深度和應用廣度得到前所未有的發展。

蓬勃發展的激光應用

所謂激光技術，就是探索開發各種產生激光的方法以及探索應用激光的這些特性為人類造福的技術的總稱。

50多年來，激光技術與應用發展迅猛，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如光電技術，激光醫療與光子生物學，激光加工技術，激光檢測與計量技術，激光全息技術，激光光譜分析技術，非線性光學，超快激光學，激光化學，量子光學，激光雷達，激光制導，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等。這些交叉技術與新的學科的出現，大大地推動了傳統產業和新興產業的發展。

1、激光在信息領域的應用

半導體激光器和光纖放大器是光纖通信的兩項關鍵技術。

半導體激光器發出的激光不僅單色性和相干性好，而且光波頻率比微波頻率又高萬倍，故以激光為傳遞信息的載體，用光纖做信息傳遞線路的光纖通信，不僅通信質量好、抗干擾能力強、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上萬倍。

利用激光技術進行光存儲，使信息的存儲發生了革命性的飛躍。一張CD聲頻光碟的記錄密度相當於1000萬bit／cm2，可記錄78分鐘的音樂節目，比密紋唱片要大好幾個數量級。

圖： CD或DVD播放機中的光碟的激光和鏡頭。右下方的小圓是半導體激光二極體，而較大的藍色圓圈是從激光器從光碟的光滑表面反射後讀取光的透鏡。

此外，激光印表機、激光傳真機、激光照排、激光大屏幕彩色電視、光纖有線電視以及大氣激光通訊等均已得到廣泛應用。

2、激光在全息術領域的應用

光作為一種波動現象，表徵它的物理量有波長（同顏色有關）、振幅（同光的強弱有關）和位相（表示波動起點同基準時間的關係）。

人們利用感光的照相方法，只能記錄下波長和振幅，所以無論照得多麼逼真，看照片和看真的景物總是不一樣。

而激光具有高相干性，能獲取干涉波空間包括相位在內的全部信息。因此，採用激光進行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通過光的衍射，就能復現被攝取物體栩栩如生的立體形象。

全息照相具有三維成像的特點，可重複記錄，而且每一小塊全息底片都能再現物體的完整立體形象，可廣泛用於精密干涉計量、無損探傷、全息光彈性、微應變分析和振動分析等科學研究。

其中，利用全息干涉術研究燃氣燃燒過程、機械件的振動模式、蜂窩板結構的粘結質量和汽車輪胎皮下缺陷檢查等已得到廣泛應用。並且，全息照相用作商品和信用卡的防偽標記已形成產業，用全息照相拍攝珍貴藝術品，不僅欣賞起來令人如臨其境，而且為藝術品的修復提供了可靠而逼真的依據。正在發展的全息電視還將為人們增添一種新的生活享受。

3、激光在醫療領域的應用

激光在醫學上的應用分為兩大類：激光診斷與激光治療，前者是以激光作為信息載體，後者則以激光作為能量載體。

在激光診斷方面，激光可穿透到組織較深的地方進行診斷，直接反映組織病況，給醫生診斷提供了充分依據。

在激光治療方面，激光技術已成為臨床治療的有效手段，也成為發展醫學診斷的關鍵技術。它解決了醫學中的許多難題，例如激光手術治療切口小，對組織基本沒有損害或損害極小，毒副作用反應少。目前，激光臨床應用領域包括近視矯正、視網膜修補、蛀牙修復、分子級微創手術等，當前激光醫學的出色應用研究主要表現在以下方面：光動力療法治癌；激光治療心血管疾病；準分子激光角膜成形術；激光美容術；激光纖維內窺鏡手術；激光腹腔鏡手術；激光胸腔鏡手術；激光關節鏡手術；激光碎石術；激光外科手術；激光在吻合術上的應用；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應用；弱激光療法等。目前，激光治療在基礎研究、新技術開發以及新設備研製和生產等諸多方面都保持持續的、強勁的發展勢頭。

圖：激光在口腔醫學領域的應用

4.激光加工

利用激光的高強度（亮度）聚焦激光束在1 ms內能發射100J的光能量，聚焦起來足以使材料在短時間內融化或汽化，從而對不同特性難以加工的材料進行加工處理，如：焊接、打孔、切割、熱處理、光刻等。

激光加工具有精度高、畸變小、無接觸、能量省等優點，其應用領域幾乎可以覆蓋整個機械製造業，包括礦山機械、石油化工、電力、鐵路、汽車、船舶、冶金、醫療器械、航空、機床、發電、印刷、包裝、模具、製藥等行業。其中關鍵零部件和精密設備的磨損和腐蝕都能很好地利用激光熔覆技術進行修復和優化，成為化腐朽為神奇的利器。

5.精密測量

精密測量是利用了激光單色性好、相干性強、方向性好的特點。相比於其他測距儀，激光測距具有探測距離遠，精度高，抗干擾，保密性好，體積小重量輕的優點。測距儀發出光脈衝，經被測目標反射後，光脈衝回到接收系統，測量發射與接收時間間隔。

激光同時具有高亮度和高相干性，這使得光的多普勒效應能夠在測速方面得到應用。激光雷達是以發射激光束探測目標的位置、速度等特徵量的雷達系統。從工作原理上講，激光雷達與微波雷達沒有根本的區別：向目標發射探測信號（激光束），然後將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發射信號進行比較，作適當處理後，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別，它在軍事領域發揮著重要的作用，也成為環境監測的有力武器。

此外，引力波的探測也是利用激光干涉測量方法，進行中低頻波段引力波的直接探測，觀測雙黑洞併合和極大質量比天體併合時產生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。

激光是20世紀人類最重大的發明之一，激光技術的應用已廣泛深入到工業、農業、軍事、醫學乃至社會的各個方面，對人類社會的進步正在起著越來越重要的作用，正奇蹟般地改變著我們的世界。

作者：杜悅寧

來源：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所