激光的应用与发展趋势

激光的应用与发展趋势

摘要：激光作为新能源代表，在许多领域都有更广泛应用。本文从激光在当今社会的地位谈起，接着介绍激光在几大领域的应用现状，最后又分析了激光器以及全球激光产业发展趋势。

关键词：激光；激光产业；发展趋势

1.激光在当今社会的地位

激光器的发明是20世纪中能与原子能、半导体、计算机相提并论的重大科技成就。自诞生到现在得到了迅速发展，激光光源的出现是人工制造光源历史上的又一次革命。我国激光技术在起步阶段就发展迅速，无论是数量还是质量都和当时国际水平接近。一项创新性技术能够如此迅速地赶上世界先进行列，这在我国近代科技发展史上并不多见。能够将物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件，主要得力于长春光机所多年来在技术光学、精密机械方面的综合能力和坚实基础。一项新技术的开发，没有足够技术支撑很难形成气候]1[。

2.激光的应用现状

2.1激光在自然科学研究上应用

2.1.1非线性光学反应

在熟悉的反射、折射、吸收等光现象中，反射光、折射光的强度与入射光的强度成正比，这类现象称为线性光学现象。如果强度除了与入射光强度成正比外，还与入射光强调成二次方、三次方乃至更高的方次，这就属非线性光学效应。这些效应只有在入射光足够大时才表现出来。

高功率激光器问世后，人们在激光与物质相互作用过程中观察到非线性光学现象，如频率变换，拉曼频移，自聚焦，布布里渊散射]2[等。

2.1.2用激光固定原子

气态原子、分子处于永不停息运动中（速度接近340 m/s），且不断与其它原子，

分子碰撞，要“捕获”操作它们十分不易。1997年华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子数冷却到极低温度，使其速度比通常做热运动时降低，达到“捕获”操作的目的。

具体做法是，用六路俩俩成对的正交激光束，用三个相互垂直的方向射向同一点，光束始终将原子推向这点，于是约106个原子形成的小区，温度在240 ]3[以下。这样使原子的速度减至10 m/s两级。后来又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在约1s 内从控制区坠落后被捕获。

此项技术在光谱学、原子钟、研究量子效应方面有着广阔的应用前景。

2.2激光测距、激光雷达

利用激光的高亮度和极好的方向性，做成激光测距仪，激光雷达和激光准直仪。激光测距的原理与声波测距原理类似。

激光雷达与激光测距的工作原理相似，只是激光雷达对准的是运动目标或相对运动目标。利用激光雷达又发展了远距离导弹跟踪和激光制导技术，这些在1991年海湾战争中都已投入使用。激光制导导弹，头部有四个排成十字形的激光接收器（四象限探测仪）。四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向飞行；有一个接收器接受的激光少了，它就自动调整方向。另一类激光制导是用激光束照射打击目标，经目标反射的激光被导弹上的接收器收到，引导导弹击中目标。

激光准直仪]4[起到导向作用，例如在矿井坑道的开挖过程中为挖掘机导向。激光准直仪还被用在安装发动机主轴系统等对方向性要求很高的工作中。

2.3激光在工业应用

激光加工代表精密加工装备未来的发展方向，体现着一个国家的生产加工能力、装备水平和竞争能力。目前，激光加工技术在各种仅金属与非金属材料加工中的应用非常广泛。

工业激光器目前主要包括CO2激光器]5[、固体激光器、半导体激光器等。这几种激光器各具优点，如CO2激光器的成本最低，固体激光器的光束质量好，半导体激光器的出光效率高。

光纤激光器是未来新一代激光技术的发展方向，它具有常规固体激光器所不具备的许多优点。然而激光器服务的机床企业非常谨慎，终端用户对激光器本身的印象远不及对系统那么深刻。

在现代重工业中，如材料切割、焊接、快速成型等过程中，激光技术体现出了优越性。激光可以通过软件来控制轨迹。激光加工属于非接触加工，因此稳定性和寿命都比较好。

在当今半导体行业，光科技术已成为半导体工业的“领头羊”。激光器在线加工已成为不可或缺的一部分。例如激光调阻机可达到产能70万只/小时，芯片光刻已实现65nm的制程。

2.4激光在医学应用

激光在医疗领域有着非常广泛的应用。激光与生物体的作用产生多种效应，如热效应、压力效应、光化效应、电磁效应。有时，这几种效应在作用是同时存在。

激光类医疗器材产品被定义为：为了手术、治疗或医疗诊断目的而进行人体照射的那些种类的医疗器材产品。激光医疗设备可分为激光治疗器、激光诊断仪器和激光检测设备。

激光美容、激光切除肿瘤、激光眼科手术、激光心肌血管再造等等都得到了迅速发展。在世界激光医疗市场，中国已成为仅次于美国和日本的世界第3大激光医疗市场。弱激光对生物组织有刺激、阵痛、消炎、扩张血管等作用，用弱激光照射病灶，有治疗效果。利用弱激光照射穴位。可以产生类似针灸的效果。低强度的He-Ne激光血管内照射可以治疗脑梗塞、颈椎病、冠心病等缺血性疾病]6[。

研究表明，紫光激光器对软组织治疗有着很好的疗效，打破了CO2激光器最适合治疗这类疾病的常规认识。

2.5激光通信

激光通信主要是利用激光的单色性和方向性好的特点。根据传输媒质的不同，激光通信可分为宇宙通信、大气通信、水下通信以及光纤通信。

目前在军事领域使用较为广泛的是大气通信。大气激光通信保密性能好，难以截获和干扰。诺·格公司已完成卫星激光通信系统兼容性实验，2007年进行下一阶段试验，该系统能够为多种用户提供更强的通信能力。

民用光纤通信的容量很大，且成本低。目前光纤通信蓬勃发展，已成为重要的民用领域之一。

2.6激光与能源

激光具有高亮度的特点，在能源利用上也有其自身独特的优势。

目前，激光与核能的应用紧密相关：一是激光分离同位素，用于核燃料的提纯工作；二是激光核聚变。

能源现已成为社会发展中的中的重要问题之一。最理想的能源应是既洁净又取之不竭的核能，这当然是聚变能的利用。据估计，地球海洋中的聚变资源可够人类用1千亿年，可以说是取之不尽，用之不竭，同时又不会污染环境的能源。可见，可控聚变核反应是一个非常理想的核能来源，已引起各国科学家的高度重视，但尚未能够做成实用的能源来发电。目前，强激光功率已达到聚变的点火条件。俄罗斯实验物理科研所已成功研制出用于热核反应的新型大功率激光器。该激光器的功率达到了1015W/cm2，能量达300 000J]7[，可代替实验室条件下的核试验。

用于激光传输不需要介质，因而可作为远距离作用能源。据报道，日本一个研究小组以实验成功用激光驱动机器人。机器人电源一般使用电池，然而在核电站和化学污染严重的场所，对正在作业的机器人更换电池有一定的困难，而用激光驱动十分便利。此外在宇宙空间用激光驱动机器人也比使用电池优越。目前，日本正在进行激光推进技术、跟踪和控制小型车辆的实验研究，进展良好。

此外，激光还有许多用途，在军事、科研、文化、国防、公安侦破等领域均有广泛用途。

3.激光的发展趋势

激光器自问世30余年以来，以日新月异的面貌改变着自身的功能，令人瞠目结舌，也令世人刮目相看，接下来再看看激光未来发展走向以及激光产业发展。

3.1激光器发展趋势

3.1.1功率越来越高

美国、法国、德国和日本最近已经完成或正在建造拍瓦新装置（1拍瓦=1015W）。这些高功率激光器都有2种运转方式：可以断续发射几百焦耳的长脉冲（每个约400fs），（1 fs =1015s），或发射不连续的短脉冲（每个约20fs），每个脉冲为几十焦耳。

超短超强飞秒激光器可用于激光核聚变实验和高能量密度物理研究，在商用上也有巨大的潜力。飞秒激光器用于光纤通信可扩展通信宽带，到2010年通信系统的传输速率达到5～10Tbps。