連載《激光，一種工具》丨第一章：世界之光

來源 | 通快

以通快《激光，一種工具》（中文版）一書為參照，我們將陸續發布一系列與激光加工技術相關的文章，讓您進一步了解激光製造技術和加工工藝，以及通快公司在激光領域的發展。

本文將先從不同的角度為您介紹光的概念和激光的特點。在後期的連載中將為大家一一呈現：用於不同材料加工的光源及各種激光的加工技術，如切割、焊接、微加工、增材製造、表面處理和打標等等，並且向您展示如何通過使用激光來創造更加美好的未來。

光，照耀大地。它伴有輻射，同時也點亮我們的世界。光充滿能量、傳播信息，還可以用作工具。它夜以繼日地伴隨著我們——從黎明的第一縷光到在午夜時點燃的燈。而從技術的角度來看，有一束光出類拔萃：激光。

不難發現，只要環顧下周圍就能看到各種不同的光源。自然的光源有太陽光，有閃電，有火焰。生物光源中，有夏夜裡的螢火蟲，有深海中發光的水母等等。當然其他的一些物質，當被白光或自然光所激發的時候，也會發射出彩色的光，比如磷光晶體等等。

然而大自然中的光源無法被長期保存，於是人類開始創造光。從最早的鑽木取火，到後期的火藥煙火，再到煤氣燈和電燈泡，隨後再發展成現在的發光二極體。人造光源在不停的進步和創新，同時也在改變著我們的生活和工業的發展。

光是由電磁波組成的。每個波在特定的頻率振動（每秒振動的次數）並且擁有特定的波長（距離）。光的速度在頻率和波長之間提供了聯繫。空氣中光速是一個常數。因此，光波每秒中振動得越多，它的頻率越高，它的波長就越短。對於人眼來說，這個效應是非常值得高興的，因為可以通過變化的頻率分辨出不同的顏色。

彩虹顯示了可見光的全部光譜。可見光波長範圍是380（紫）到780（紅）nm。然而，這僅僅是電磁波全部光譜的一小部分，其餘還包括伽馬射線、X射線、微波和射頻波。

而光是如何產生的，大體來說，分子或原子能級躍遷引起能量以光子形式釋放，就輻射出了光。

當原子中的電子吸收能量，先跳躍至一個更高的能量級，然後再回到基態，這樣就產生了光線，能量差越大，頻率越高

在眾多的光源之中，有一種光尤為突出：激光光束。激光是「受激輻射的光放大」的縮寫。因此，嚴格來講，激光這個單詞描述的是一個物理過程。光不再是激發態原子或者分子自發隨機的輻射，而是，原子或者分子受到激發，或者泵浦之後，產生了輻射。接下來，我們將會描述原子中的激光產生過程。類似的過程也發生在分子之中。

當一個光子打到一個激發態的原子時，它會激發一個電子下降到一個低能級，因此輻射出另一個光子。要是這種情況發生，入射光子必須有著確切的正好的能量。這個能量必須和原子的受激能級和較低能級的能量差一致。因此，受激輻射是一個共振過程。受激輻射以後，兩個光子一起向前傳播。新的光子和第一個光子有著相同的頻率、相位並且和它運動方向一致。

在輻射過程前後，觀察者會注意到光束變得稠密了。輻射前，僅有一個光子；現在有了一起傳輸的同樣類型的兩個光子。當這些光子打到其他激發態的原子，他們會激發其他光子的釋放，光束進一步放大。

基於光放大的方式，激光也被認為是光學放大器。當一個光子打到一個激發態的原子時，它會激發一個電子下降到一個低能級，因此輻射出另一個光子。要是這種情況發生，入射光子必須有著確切的正好的能量。這個能量必須和原子的受激能級和較低能級的能量差一致。

因此，受激輻射是一個共振過程。受激輻射以後，兩個光子一起向前傳播。新的光子和第一個光子有著相同的頻率、相位並且和它運動方向一致。

受激發射將導致級聯效應，放大激光束

在輻射過程前後，觀察者會注意到光束變得稠密了。輻射前，僅有一個光子；現在有了一起傳輸的同樣類型的兩個光子。當這些光子打到其他激發態的原子，他們會激發其他光子的釋放，光束進一步放大。基於光放大的方式，激光也被認為是光學放大器。

激光的特殊性質使得它如此的成功。這些性質和傳統的光源有很大的區別。激光是單色的、相干的、單方向的。這些性質決定了激光可以有些極其廣泛的應用。

激光束中所有的光子有著相同的波長。波長由物質輻射激光過程中能量的轉移決定。單色光主要用於和干涉相關的應用。激光的特殊性質使得它如此的成功。這些性質和傳統的光源有很大的區別。激光是單色的、相干的、單方向的。這些性質決定了激光可以有些極其廣泛的應用。

所有光子都是同相的，或者相互步調一致。所有有著相位一致關係的波列，構成了相干的激光。當干涉效應用於技術應用時相干性扮演著重要的角色。

光子有著相同的方向並且相互平行移動。結果，激光形成了緊密的光束而且發散很小。這使得控制激光束並讓全部能量聚焦到極小的點上尤為容易。這在材料加工上特別重要。

美國人查爾斯·哈德·湯斯（Charles Hard Townes）從受激輻射的原理到一個可見的激光設備邁出了第一步。

1953年，他發明了第一個微波放大器。微波是波長比可見光大得多的電磁波。它們的波長以厘米計量。微波放大器用在電波望遠鏡中，它們把望遠鏡從外太空接到的弱信號進行放大，從而使得人類可以瞭望銀河系的中心。第一個運轉的微波放大器使得激光的出現變得容易。

1958年，同亞瑟?萊昂納德?肖洛（Arthur Leonard Schawlow）一起，湯斯描述了激光可能工作和在實際應用的方式。

1960年5月，第一台激光器在加利福尼亞的實驗室問世。西奧多·梅曼（Theodore H. Maiman）和他的團隊成功研製了世界上第一台激光器：紅寶石激光器。這個激光器包含了一個人造紅寶石晶體棒，它放置在一個螺旋閃光燈的裡面。棒子的兩端是鏡片，其中一個鏡片是部分透射鏡片。閃光燈給棒子能量，紅寶石的鉻原子開始發出一束深紅的光。最初輻射的光子激發了更多光子的輻射。通過一個級聯效應，激光束形成了——比太陽表面還要明亮的光束。

「激光」一詞是「Laser」的意譯。 Laser原是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation取名字組合而成的專門名詞，在中國曾被譯為「鐳射」、「光激射器」、「光受激輻射放大器」等。1964年，錢學森院士提議取名為「激光」，既反應了「受激輻射」的科學內涵，又表明它是一種很強烈的新光源，傳神而簡潔，從那時「激光」這個詞被認同且沿用至今。

1957年，王大珩等在長春建立了中國第一所光學專業研究所——中國科學院（長春）光學精密儀器機械與物理研究所（簡稱「光機所」）。1961年夏，中國第一台紅寶石激光器研製成功。此後短短几年內，各種類型的固體、氣體、半導體和化學激光器相繼研製成功。

儘管早在60年代已在加工、醫療器械和測距等方面出現了激光產業的雛形，然而當時只是零星的、分散的小量研製性生產，未能形成氣候。在1978年改革開放以後，激光產業在中國真正得到重視並實質性起步。

如今在武漢、上海、深圳等地激光技術的研發及應用已和國際領先水平接軌。而這幾年在溫州、鞍山等地也陸續建成了激光產業集群。

1988年武漢成立了東湖新技術開發區，又稱中國光谷。光谷的光電子信息產業已成為代表中國在這一領域參與全球競爭的知名品牌。

在上海，很多前沿產業應用大展拳腳，如汽車行業的激光熱成型切割就是非常典型的案例。廣東，作為全球最大的電子生產基地，在那裡激光的微加工技術、打標技術等在3C行業也得到了廣泛應用。

工業革命時期，水和蒸汽動力是當時的關鍵技術。20世紀，電子學是技術發展背後的驅動力。21世紀初期，工程師將光和激光作為執行不同任務的重要介質。並且專家已經稱其為世紀之光。你所到的每一個地方，都會無意間發現使用激光的過程。僅在一輛汽車中，你就能找到大量用激光加工而成的部件：從激光焊接的車身到按鈕和儀器上的打標文字和圖形等等。

通信技術中，激光器可以產生傳播信息的光信號，沒有激光器，世界各地的流動的大量的數據流幾乎不可能。測量技術中，激光束為長距離和細微結構提供精確地數據。

醫學中，激光束實現以前不可想像的功能——例如，眼矯正手術和視網膜脫離修復。全息投影中，通過激光照射物體實現三維成像。在過去，這個看似奇異的發明，卻已變成了用於各種各樣應用的多功能工具。並且現在，激光產品全球市場份額價值已達到數十億歐元。

激光器最重要的應用領域之一是材料加工。切割、鑽孔、燒蝕、結構化、沉積、連接和打標——激光器的發展可謂是大步流星，日趨成熟。在接下來的章節中，我們將為你一一揭曉，如何讓不可能成為可能。