激光技术的应用与发展修订稿

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激光技术的应用与发展
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摘要
自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器和激光放大器的发展非常迅速。

激光工作物质已包括晶体、玻璃、光纤、气体、半导体、液体及自由电子等数百种之多。

激光作为新型强相干光源的出现，是现代信息光学发展的三大事件之一。

激光器所辐射的光束因具有高方向性、高单色性、高亮度、高相干性四大宏观特性导致了光学领域的巨大革命，同时对整个科学领域的进步和发展起到了巨大帮助，已被广泛的运用到了工农业生产、科学、医学、国防等各个领域，带动了许多新兴学科的发展。

随着激光技术的不断发展和成熟，必将对我们的生活生产和科技起到不可估量的作用。

关键词：激光、医学、军事、生物
目录
引言
激光最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。

意思是“通过受激辐射光扩大”。

激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程，激光的原理早在 1916年已被着名的美国物理学家爱因斯坦发现。

1964年按照我国着名科学家钱学森建议将“光受激辐射”改称“激光”。

激光应用很广泛，主要有激光打标、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。

第一章关于激光的概述
1.1 激光的产生与发展
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。

激光的原理早在1916年已被着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。

激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，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，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。

发展时间：
1917年：爱因斯坦提出“受激发射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。

1953年：美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（英文首字母缩写maser）
1957年：Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利，相关法律纠纷维持了近30年。

1960年：美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光
1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。

1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。

1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。

1971年：激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。

英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。

1974年：第一个超市条形码扫描器出现
1975年：IBM投放第一台商用激光打印机
1978年：飞利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机，不过价格很高
1982年：第一台紧凑碟片（CD）播放机出现，第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。

1983年：里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器
1988年：北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。

1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造
1991年：第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。

1996年：东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器
2008年：法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤
2010年：美国国家核安全管理局（NNSA）表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘（质量数2）和氚（质量数3），解决了核聚变的一个关键困难。

1.2 激光的特性
1）定向发光
普通光源是向四面八方发光。

要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。

激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。

1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。

若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。

天文学家相信，外星人或许正使用闪烁的激光作为一种宇宙灯塔来尝试与地球进行联系。

2）亮度极高
在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。

因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。

红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。

若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。

激光亮度极高的主要原因是定向发光。

大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。

激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。

3）颜色极纯
光的颜色由光的波长（或频率）决定。

一定的波长对应一定的颜色。

太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。

发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。

比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。

单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。

如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。

由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。

激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。

以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10^-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。

由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。

4）能量密度极大
光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。

由此可知，频率越高，能量越高。

激光频率范围3.846×10^14 Hz到7.895×10^14 Hz。

第二章激光技术的应用
激光技术在医学上的应用
激光是一方向性强，单色性能好和能高度集中的相干光束，利用透镜能聚焦成非常小的光点，在光点上其能量密度非常高，并且可以在几个微秒或几个毫秒之内发生作用，激光的光点经聚焦以后其直径可达几十个微米，因而在治疗时可以精确地选择病变部位。

激光以其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。

激光治疗最早应用于眼科，对视网膜剥离、眼底血管病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗。

激光手术刀具有术中出血少，可减少细菌感染等优点。

激光与中医针灸术结合而形成的“光针”，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。

激光技术为现代医学提供了一种“神力”，能够治疗内科、外科、眼科、皮肤、肿瘤和耳鼻喉科的100多种疾病。

激光医学在临床上的应用主要分为三大部分,包括:
①激光在基础医学研究中的应用,主要是通过激光与人体器官组织、细胞和生物分子的相互作用来研究激光的生物效应。

②激光诊断,是以激光作为信息载体,利用激光单色性好的特点,对组织病
理形态、病理情况下的功能及找出某些致病因素等方面进行光谱分析。

③激光治疗,是以激光作为能量载体,利用激光对组织的生物学效应进行
治疗,多年来,激光技术已成为临床治疗的有效手段,也成为发展医学诊断的关键技术，包括：弱激光治疗，高强度激光手术，激光动力学疗法(光化学疗法)，激光诊断。

激光技术在工业领域的应用
激光因具有单色性、相干性、和平行性三大优点，将此应用于材料加工，形成一门新型的加工工业—激光工业。

激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，与计算机数控技术相结合，可构成高效自动化加工设备。

广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等重要部门，对提高劳动生产率、产品质量、自动化、无污染、减少材料消耗等起重要作用。

经过不断的研究开发，激光已经广泛应用于切削加工、焊接、表面工程技术、非金属材料和硬质合金加工等方面。

在汽车工业中,激光加工通常以切割为主。

激光切割一般采用基模或低阶模大功率器,激光束经聚焦后具有极高的功率密度,可使材料产生汽化或熔化现象。

由于金属表面对于波长为1016Lm的CO2激光反射率高,为了提高切割速度和切割质量,在切割金属工件往往吹送氧气或压缩空气,以提高切割效率,而在切割易燃材料时则吹送氮气等惰性气体以防止燃烧。

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激光切割具有许多优点:
①缝窄(011mm～015mm),节省材料;
②工件热变形小;
③只须定位而不需夹紧、划线,工件无机械应力及表面损伤;
④能切割脆性材料,和极软、极硬的材料,包括淬火钢;
⑤切口平行度好、切边洁净,可直接用于焊接;
⑥切割速度高(可达10mmin以上),无工具磨损;
⑦易于实现数控或计算机控制,并可多工位操作等。

现代激光切割技术已经发展成完备的激光切割系统,除功率大、模式好的激光器外还配有滚珠丝杠传动的高精度工作台,由计算机控制,通过多坐
标联动可以实现各种复杂的平面或空间图形的切割,甚至还研制出加工精度更高、柔性更好的激光切割机器人。

在许多国外汽车制造公司中,激光切割技术的应用非常普遍。

如在样车研制和小批量生产中,常使用三维以上的激光切割加工系统,切割各种板件。

在生产线上,则采用激光切割机器人对已经冲压成型的部件进行在线立体切割。

高效激光切割系统的应用,大幅度缩短了新车的研制时间和汽车的生产准备周期,使生产实现了自动化和柔性化。

据报道,汽车制造中激光切割加工比传统机械加工方式的加工费用减少了50%左右,且生产效率也得到了大幅度的提高。

可以预见,随着消费者对汽车日趋个性化的追求,小批量、多品种必然成为汽车制造的潮流,且随着科技的发展,激光切割系统质量不断提高、价格逐渐下降,激光切割技术将在汽车工业中获得更加广泛的应用。

此外，汽车工业还使用到激光焊接，激光表面改性，激光检测，激光快速成型，激光毛化技术,
激光熔覆技术等等各类激光技术。

激光技术在军事上的应用
战舰用激光测距仪，是激光在海军最成功的也是最主要的应用，他主要和电视跟踪器、红外跟踪器和大型计算机组成光电火控系统。

这个火控系统在小型战舰上可以作为主要火控，在大型战舰可以作为辅助的火控系统。

出来水面战舰用激光测距仪，潜艇潜望镜也用的激光测距仪，可见，这个测距技术也是激光在军事上运用比较成熟的一个例子。

不过激光在军事上运用最成熟的应该是激光制导武器，如激光制导导弹，激光制导炸弹，激光制导炮弹，激光制导鱼雷等等。

激光制导导弹由三部分组成：导引头，战斗部、尾翼。

激光制导导弹并不能发射激光，主要是接受激光。

激光和导弹也不是安装在一块的，它的发射作用于两架飞机：一架叫激光照射机，一架是导弹携带机。

激光照射机常在万米高空作业，它完全避开了地面火炮（导弹）的射程；激光照射机在对地面欲打击目标进行照射后，激光制导导弹的引导头立即接收到了回射的激光，经过滤光片由聚焦透镜聚焦到探测仪上，形成误差信号；误差信号再经计算机变成控制信号，再传送到另一飞机的执行系统最终操纵导弹飞向打击目标。

还有反坦克和反舰两种。

所谓激光制导，就是以激光为信息载体，把导弹、炮弹或炸弹引向目标而实施精确打击的先进技术。

精准，是激光制导武器的鲜明特点，由于激光的单色性
好，光束的发散角小，敌方很难对制导系统实施有效干扰，因而使它具有了其他制导方式无法匹敌的优势。

激光制导通常有“视线式”和“寻的式”。

“视线式”的典型代表是激光驾束制导，“寻的式”的典型代表是激光半主动式寻的制导，也是目前最常用的激光制导方式。

激光驾束制导简言之就是激光制导系统瞄准目标并连续发射激光，位于弹尾的激光接收器接收激光，控制弹体像“骑”着激光一样沿光束中心飞行。

激光制导武器自问世以来，便在现代战争中大显身手，备受世人关注。

目前，世界各军事强国都纷纷加强激光制导武器的研制。

从激光制导技术的发展来看，其多样化的发展趋势十分明显：智能化—让激光主动寻的。

远程化—增大作用距离。

小型化—减小制导系统的体积和重量。

复合化—着力发展复合制导。

此外，激光制导武器还在向采用对人眼安全波段、新的激光编码方式、以及标准化和模块化方向发展。

现代激光技术在军事领域的广泛应用不仅可以提高现有常规武器的精确打击能力，还可为军队提供新型战术战略武器。

激光技术在军事上除上述应用外还有许多其他应用，诸如激光拦截、激光防护、激光对抗、激光引信等等。

它们的成功应用将大大提高军队在高技术战争中的对敌打击与自我防护能力。

同时，激光技术的民用化也大大促进了民用科技的迅速发展,如激光测速、激光反伪、反偷拍等都将逐步替代这些领域原有的仪器或技术。

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此外，激光技术在光纤通信，船舶维修，在作物育种，在材料加工领域等等方面的发展都是很可观的，未来发展的潜力也是非常巨大。

激光，自从人们认识到它优异的特性以后，便把激光用于各个行业的工业生产，军事，科技探测。

随着激光技术研究的逐渐深入，那些现在才刚刚技术起步的技术，如激光合金化与熔覆，激光毛化，激光纳米材料等，这些技术还有很大的发展空间，未来也会有推进我国工业生产技术革新，提高生产率。

随着军用激光技术的不断成熟，不但可以使我们军事力量的提升，更加在战术，甚至在战略上对我国军事部署有重大意义。

随着科技的发展，激光技术必将得到更加广泛的应用于我们世界的各个方面，使人类的科技不断进步。

第三章光纤激光器的发展现状
3.1 国外的发展现状
光纤激光器是近年来激光领域关注的热点之一，也是目前实现高平均功率、高光束质量激光的重要手段之一。

它最初在20世纪60年代由E.Snitzer提出，但由于光纤工艺、抽运技术及半导体激光器的发展等因素限制，一直进展缓慢，输出功率不高，直到1988年E.Snitzer等提出了双包层光纤以后。

使得高平均功率光纤激光器技术取得了重大突破，输出功率很快达到百瓦，2004年前后突破千瓦量级。

目前美国的公司已可提供单模3kW，多模50kW的光纤激光器产品。

双包层光纤是一种具有特殊结构的光纤，它由纤芯、内包层和外包层组成，比常规的光纤增加了一个内包层。

其中，纤芯一般掺有稀土离子，如：Nd3+，Yb3+或Er3+等，其直径在微米至几十微米量级，是单模激光的传输波导；内包层包绕在纤芯的外围，是抽运光的传输波导，其直径和数值孔径(NA)都比较大，多为百微米，因此与传统光纤激光器需要将抽运光耦合到纤芯相比，双包层光纤激光器只需要将抽运光耦合到双包层中即可，其耦合效率很高。

抽运光在内包层传输时，以全反射方式反复穿越纤芯，被纤芯内的稀土离子吸收，从而产生单模激光，并具有很高的转换效率，如掺Yb(镱)光纤的光-光转换效率可达80%以上。

近年来，随着双包层光纤制造技术、高功率LD抽运源技术以及先进的光束整形技术等的迅速发展，高功率光纤激光器技术也在日新月异，其关键技术包括包层抽运技术、谐振腔技术和调制技术等都获得了重大突破。

包层抽运技术主要有端面抽运和侧面抽运两种方式。

端面抽运又可以分为透镜直接耦合、光纤端面熔接耦合和多个小功率LD端面耦合等方式，它具有结构简单的优点，但存在输出功率有限，不容易扩展的缺点，目前实现千瓦级的高功率激光输出大都采用端面抽运或双端抽运的结构；侧面抽运主要有V形槽法、狭缝法、角度磨抛法、二元衍射光栅嵌入镜法、熔接法、分布式包层和集中抽运等方式，功率容易扩展，但工艺非常复杂，目前国际上采用侧面抽运能实现高功率输出的还不多，处于研究状态。

其中日本采用集中抽运方式获得了1kW的光纤激光输出，是采用侧泵方式实现的最高功率输出，但其制作工艺非常复杂。

3.2 国内的发展现状
国内高功率双包层光纤激光器的研究起步较晚，1999年南开大学和电子46所合作成功研制出国内第一根双包层掺Yb光纤。

2000年中国科学院上海光机所首次报道了输出功率3.84W，斜效率为55%的双包层光纤激光器，它采用端面抽运结构，输出波长1037nm。

最近两年发展有很大的突破，多家单位实现千瓦级的激光输出。

2006年，清华大学采用烽火通信提供的新型掺Yb双包层光纤(内包层直径为600mm，D形结构)，采用双端面抽运结构，在总抽运功率约为1020W时，获得714W激光输出，总光-光转换效率达到70%，斜率效率接近72%；2006年5月，中国兵器装备研究院研制成功的单根光纤激光器输出功率达到1049W，光-光转换效率大于60%，电-光转换效率大于30%。

2006年8月，华北光电技术研
究所采用新型掺镱光纤(D形内包层，直径700mm)，研制出平均功率达1.2kW的光纤激光输出。

该激光器对光纤两端面进行高精度抛磨处理，利用光纤端面的菲涅耳反射作输出腔镜，通过双色镜耦合输出激光。

采用双端面抽运方案，当抽运光功率为1550W时，光纤激光输出功率为1207W，斜率效率为78.6%，输出功率波动约为1%。

同年，中科院上海光机所报道他们采用国产光纤，也实现1kW输出。

第四章激光技术的发展前景
生命和健康科学是一个非常强劲的市场,因为那里会永远不断地出现新的应用,其中很多是基于激光的应用,并且医药也在不断寻求改进。

激光不再只局限为一种外科手术工具,将会更加广泛地应用于医学诊断(如细胞影像)、药检、DNA排序、细胞分类以及蛋白质分析等方面。

目前，光纤激光器可实现波段为800～2100n的激光输出，最大功率已达到万瓦量级。

其应用范围从光通信扩展到激光加工、激光打标、图像显示、生物工程和医疗卫生等领域。

未来光纤激光器的发展：
(1)提高光纤激光器展趋势将体现在以下几个方面的本身性能：如何提高输出功率和转换效率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性并使其更加小巧紧凑，上述目标将是未来光纤激光器领域研究的重点。

(2)新型光纤激光器的研制：具有更小占空比的超短脉冲锁模光纤激光器一直是激光领域的研究热点。

高功率飞秒量级脉，该领域一直是人们长期追求的目标，研究的突破不仅可以给光通信时分复用OTDM提供理想的光源,而且可以有效带动激光加工、激光打标及激光加密等相关产业的发展；在频域方面,宽带输出并可调谐的光纤激光器将成为研究热点。

近年，一种采用材料(ZEBLANZrBaLaAl)为激光介质的非线性光纤激光器引起了人们的重视。

光纤激光器将在未来光通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域中发挥重要作用。

光纤激光器技术是一个正在得到高度重视和迅速发展的新型技术研究热点，所涉及的科学研究和产品应用领域十分广泛,具有巨大的潜在应用价值和广阔的市场前景。

参考文献
[1]乔学光光纤激光器的研究进展与展望[J],激光与光电子学进展。

[2]葛强,光纤激光器的应用[J]，光机电信息。

[3]朱万彬等，光纤激光器的发展[J]，光机电信息。

[4]李伟等，大功率光纤激光器在销毁弹药中的应用[J]，光纤光学。

[5]葛强,光纤激光器的应用[J]，光机电信息。