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激光技术发展前景的综述

激光技术发展前景的综述

摘要:激光技术是现代科学技术发展的结果,激光是20世纪与原子能、计算机、半导体齐名的四项重大发明之一。在装各制造业,汽车工业,医学,航天等行业中,激光技术应用越来越广泛。本文简述了激光技术的基本要素发展历程与未来发展方向,以及中国激光技术发展现状。

关键词:激光技术、现状、发展趋势。

前言:激光一问世,就获得了飞快发展,激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生,而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段,获得空前的效益和成果,收到人们高度关注,从而促进了生产力的提高。因此,激光技术是当今机械工业发展的一个重要发张趋势。

一、激光的概述

激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干辐射。能够发射出激光的实际装置,称之为激光器.普通光由原子群中的原子无秩序地、个体自发发光产生,而激光的产生,则是控制了原子群,使之集体化地,有组织有纪律地发光.就是说,激光是由原子群的集体化受激发光产生的。

二、激光技术的发展历程

激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现,但直到 1960 年激光才被首次成功制造。

1958年,美国科学家肖洛(Schawlow)和汤斯(Townes)发现了一种神奇的现象:当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象,他们提出了"激光原理",即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时,都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文,并获得1964年的诺贝尔物理学奖。

1960515,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

196077,梅曼宣布世界上第一台激光器诞生,梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来激发红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉,所以当红宝石受到刺激时,就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔,使红光可以从这个孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是:尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。

三、激光的特征

1.单色性纯:光的颜色很纯。可见光的激光谱线宽度可以小到千万分之一埃。白炽灯通过1毫微米的干涉滤光片。透过光的波长为600毫微米,谱线宽度为106兆赫。而HeNe激光器发射激光的波长为633毫微米。普通光束的光子简并度不大于103,相当于“噪音束”,不可能传递大容量信息,只有高简并度的激光才具有可能实现真正光通讯的单色性。

2.亮度高:从几何光学观点看,高光子简并度就是高亮度。激光焦点处的辐射亮度能比普通光高1081010倍。2毫瓦HeNe激光器发射光束直径能过2毫米,发散角3+104弧度.其辐射亮度达到2+105Wcm2.”。这束激光相当白炽灯的3千倍,太阳光的loo倍。

3.方向性强,发散角小:激光的发散角为毫弧度量级,比普通光及微波的发散角要小23个数量级。月球到地面的距离远达384000公里,如果从地球上发射一束激光到月球表面上,光斑直径不超过2000米,如果用探照灯,其光斑直径就要有几千公里。

4.相干性好:从物理学观点看。高光子简并度就意味着相干性好。相干性有两种。即时间相干性和空间相干性。时间相干性是指不同时刻由同一点发出的光波之间的相干性。空间相干性是指由空间不同点发出的光波的相干性。激光在较长的时间内保持恒定相位。

四、我国激光技术发展

“激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是LIgnt amplitioation by

stimulated emiasi on of radiation取字头组合而成的专有名词,在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。1964年,钱学森院土提议取名为“激光”,既反映了“受激辐射”的科学内涵,又表明它是一种很强烈的新光源,贴切、传神而又简洁,得到我国科学界的致认同并沿用至今。

1961年中国第一台激光器宣布研制成功至今,在全国激光科研、教学、生产和使用单位的共同努力下,我国形成了门类齐全、水平平先进、应用广泛的激光科技领域,并在产业化上取得了可喜的进步,为我国的科学技术、国民经济和国防建设作出了积极贡献,在国际上也争得了一席之地。

五、激光器种类

激光器大多由激发系统、激光介质和光学谐振腔三部分组成。激发系统就是产生光能、电能或化学能的装置。目前使用的激发手段,主要有光照、通电或化学反应等。激光介质是能够产生激光的物质,如红宝石、铍玻璃、氖气、半导体、机染料等。光学谐振腔的作用,是用来加强输出激光的亮度,调节和选定激光的波长和方向等。根据产生激光的媒质,可以把激光器分为液体激光器、气体激光器和固体激光器等。而现在最常见的半导体激光器算是固体激光器的一种。

1.气体激光器:介质是气体的激光器,此种激光器通过放电得到激发。有氦氖激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器、氮气激光器、氩离子激光器和氦镉激光器等等激光器。

2.固体激光器:介质是固体的激光器,此种工作物质通过灯、半导体激光器阵列、其他激光器光照泵浦得到激发。热透镜效应是大多数固体激光器的一项缺陷。有红宝石激光器、Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)、Nd:YVO4(掺钕钒酸钇)、Yb:YAG(掺镱钇铝石榴石)和钛蓝宝石激光器等等激光器。

3.半导体激光器:半导体激光器是电驱动的二极管。施加电流产生的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用的光增益。在晶体的解理面端点处的反射形成光学谐振腔,尽管有些设计是把谐振腔放在半导体晶体的外面。

六、激光技术的应用

由于激光具在一系列优异的特性,因而在工业、农业、国防、医疗、天文、地理、科研尖端等各个方面得到了广泛的应用。由于它良好的方向性。使它在准直和导向方面已获普及应用:由于它的高亮度,使它在各种材料的加工中显示了巨大的威力。使在地球上制造小太阳似的热核聚变有了希望;由于安的相干性好,使全息照相术得到了实际的应用。使长度计量和干涉计量提高了精度。由于它的

单色性纯。开创了激光光谱学的新领域,使定向和催化化学得到了突飞猛进。

第一次使用激光在大众日常生活中是超市条码扫描仪,于1974年推出。光盘在1978年推出,是包括激光的第一个成功的消费产品,但光盘播放器是第一个装备有激光器的常见设备。紧接着,在1982年开始出现激光打印机。用于医学上,如无血手术,激光治疗,手术治疗,肾结石治疗,激光矫视等,激光技术已有效地用来提高医疗效果和改进病症诊断技术的水平。应用于工业上,如切割, 焊接, 材料热处理, 打标记, 非接触性测量等。应用于军事上,如目标标记,弹药制导, 导弹防御,激光武器等。在商业上应用,如激光打印机,光盘,条码扫描仪,激光指示器,激光灯光等。还可以应用于美容手术皮肤治疗。

七、激光技术的发展趋势

激光器的发展,其发展趋势主要表现在以下几个方面:

1.从实用角度看,主要发展小型化、实用化、高效率和价格便宜的激光器件。

2.从波长角度看,激光器正向长波长和短波长两面三刀端发展,如远红外激光器、紫外激光器。

3.从输出功率来看,大功率的激光器近年来不断出现,其中,钕玻璃激光器的最大脉冲峰值输出功率已达1013瓦。气体C02激光器的连续输出功率已有400千瓦的报导。

4.从新类型激光器的角度看.首先是准分子激光器发展很快,这种激光器的波长范围很宽。功率可以很大。核激励激光器是一种利用核能来激励工作物质从而产生激光的新型激光器,核激励激光器输出的巨大能量可能用于激光武器、核聚变、远距离能量传输等。

结语

激光技术的应用正极大推动着人类的精神文明和物质文明。激光技术的发展极大解放了人类的生产力!激光技术的应用将把人类文明带入一个新的高度。所以发展与普及激光技术有着重要意义!

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