激光的发展与应用

激光的发展与应用

摘要：激光作为20世纪的新发明，从1960年第一台激光器问世以来，激光技术与应用发展迅猛。它不仅在产业上有了飞速发展，而且还为科学技术、国民经济和国防建设做出了积极贡献。本文综述性描写激光的发展与应用，首先简要的介绍激光的发展史，其次介绍激光的特性，最后结合激光的特性和发展史以典型的实例来简要的说明激光在各个方面的主要应用。

关键词：激光；发展；应用；特性；实例

１.引言

激光，作为高新技术的研究成果，它不仅广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域，而且已经在人类生活和生产的许多方面得到了大量的应用，与激光相关的产业已在全球形成了超过千亿美元的年产值，可见它对人类社会的影响之深刻而广泛。

２.激光的发展简史

1916年，爱因斯坦在研究黑体辐射的普朗克公式时曾寓言了受激辐射的存在，从而提出受激辐射的概念，并预见到受激辐射光放大器诞生,也就是激光产生的可能性[1]。

20世纪50年代美国科学家汤斯及前苏联科学家普罗克霍洛夫等人分别独立发明了一种底噪声微波放大器，即一种在微波波段的受激辐射放大器(Microwave amplification by stimulate emission of radiation)，并以其英文的第一个

字母缩写命名为maser[1]。1958年美国科学家汤斯和肖洛提出在一定的条件下，可将这种微波受激辐射放大器的原理推广到光波波段，制成受激辐射光放大器(Light amplification by stimulated emission of radiation，缩写为laser)。1960年7月美国的梅曼宣布制成了第一台红宝石激光器[2]。1961年我国科学家邓锡铭、王之江制成我国第一台红宝石激光器，在1961年11期《科学通报》上发表了相关论文，称其为“光量子学放大器”。其后在我国科学家钱学森的建议下，统一翻译为“激光”或“激光器”[3]。1962年雅文等人在美国贝尔实验室制成了氦氖激光器[1]。自此新的激光器不断的被研制出来，激光开始走上了高速发展的道路。

３.激光的特性

由于激光产生的机制与普通光不同,因此，它具有许多与普通光不同的特性。

3.1.单色性好。激光几乎是严格的单色光。通常所谓的单色光，实际上其波长并不只为某一数值，而是由许多波长相近的光所组成，其波长取值范围,称为谱线宽度[2]。不同光源发出的光有不同的谱线宽度。过去作为长度基准的单色性最好的氪灯，它的谱线宽度为，而氦氖激光器所发的632.8nm的激光，它的谱线宽度可达，由此可见其单色性之好[4]。正是由于激光单色性好，目前国际上采用甲烷稳定的氦氖激光器（激光波长为3392.23140nm）作为体现米定义的标准辐射源[4]。

3.2.方向性好。与普通光源以立体角不同，激光发射限定在很小的立体角内。它大致等于激光器通过光孔径的圆孔衍射的发散角因此是几乎平行的光

[2]。对于1mm口径的激光器发散角为，如果用扩束镜把激光束直径扩到5m，则发散角减为，把这束激光投向月球，在月球上得到的圆亮斑的直径为116m[2]。对于普通光源，即时采用最好的会集系统（如探照灯）也达不到这样小的发散角。

3.3.相干性好。激光器是目前相干性最好的一种光源，它的相干性好表现在两个方面。一是空间相干性好。同一台激光器发出的激光束的各个部分都是相干的，所以在杨氏双缝实验中直接把激光束投射到双缝上就能产生干涉，而不必像用普通光源时那样必须在双缝前再加一个狭缝来限制光源的大小。另一方面，激光还具有好的时间相干性（这一点上与单色性好相联系的）激光的相干长度大，最长可达几百千米，而氪灯的相干长度仅为几十厘米[2]。因此把激光投射到玻璃片上也很容易得到干涉条纹。

3.4.能量集中、亮度高。由于激光发射被限定在一个极小的空间内，因而辐射功率极大，亮度极高。从一个功率为千瓦的二氧化碳激光器发射出的激光束集光以后，可以在大约10秒内把一块7—8厘米的钢板烧穿一个洞[2]。输出功率1mw的激光亮度是100w的高压汞灯的1000倍[2]。

４.激光的应用

由于激光具有上述诸多特性，因此它的问世促进了光学的及其他有关学科的发展，派生了一些新的分支学科，并在技术上得到了日益广泛的应用。由于激光出现而发展起来的学科有全息光学、激光光谱学、非线性光学与激光化学、量子光学、信息光电子技术、激光医疗与光子生物学、激光雷达、激光制导、激光分

离同位素、激光可控核聚变、激光武器等等。它们的发展有的是基于激光的高度相干性与单色性，有的是基于激光束的小截面与高功率。下面我们就以典型的例子来简要的说明激光在各个方面的主要应用。

4.1.激光加工、检测及材料处理

利用激光束具有的能量高度集中、方向性好、聚焦点微小等特点可以对工件进行加工。激光加工技术目前已在汽车制造、钢铁冶金、铁路机车、航空航天、船舶、机械制造、石油化工、材料科学等领域得到广泛应用，具有高质量、高效率等优点，市场前景十分广阔。激光加工的加工速度快，操作简单，不需真空条件，常用于微孔加工切割与焊接等场合。例如在手表的宝石轴承上打孔，过去要十几分钟打一个孔，而用激光每秒可打十多个孔[5]。又如化纤工业上用的喷丝灯，要在直径为十多厘米的硬质合金上打上万个孔，以前四、五个工人要加工一个星期。改用激光打孔，一个工人两小时就能完成[5]。用激光束切割硬质材料，比起火焰切割来，速度快，质量好，还能节省材料。用激光焊接不但速度快，焊接牢固，且可焊接不同材料的部件与硬质材料的部件。用激光还可制造微型精密电阻等微电子学元件，焊接超小型集成电路等[5]。

激光材料处理包括表面处理、食物与种子处理等。表面处理包括激光熔覆、激光重熔、激光表面合金化等。激光应用于农业进行种子预处理可以大大改良种子的性能。用激光育种，能诱发遗传变异，从而培育出优良品种，在这方面我国已经取得了不少成绩。据报道，广东省培育的“科激”28号水稻良种，亩产420公斤，增产50公斤左右[6]。四川“川油”9号油菜的成熟期提前五、六天，产量提高二成[6]。还试验过用激光照射黄瓜、西红柿等种子，结果使产量增加，而且果实中维生素含量和糖含量也有所增加[6]。有人还想把激光用于遗传工程，利用激光把豆科植物根瘤细胞中的固氮基因接到非豆科植物的细胞中去[7]。激光在检