激光技术

 基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。能够发射出激光的实际技术装置，称之为激光器。

一、发展简史

早在1917年，a.爱因斯坦为解释黑体辐射定律，首先提出了关于光的发射与吸收可经由受激吸收、受激辐射与自发辐射三种基本过程的假设。但在这以后相当长一段时间内，有关受激辐射的研究未能引起人们的足够重视。直到40年代末和50年代初，人们在研究射频和微波波谱学的过程中，才首次注意到利用物质体系特定能级间的粒子数分布反转和相应的受激辐射过程，来对入射的微波电磁辐射信号进行相干放大的可能。在此设想的推动下，美苏两国科学家小组分别独立地在1954年前后，研制成功第一批微波激射器装置，这是人们利用粒子数反转的受激辐射原理而实现对电磁辐射进行相干放大或振荡的第一次成功尝试。人们自然想到是否可把相同的原理推广到电磁波谱的光频波段，以产生强相干光辐射。1960年美国首次研制成功第一台激光器 ── 红宝石激光器。以后不久，人们又相继成功地研制出一系列其他种类的激光器。

二、产生激光的基本原理

任何具有发光能力的物质都可以认为是由一些基本的微观粒子（原子、分子、离子等）所组成的；这些组成物质的粒子可分别处于具有不同能量的状态中；换句话说，可分别处于具有不同能量水平的能级上。一般情况下，粒子的能量状态的分布是不连续的，因此粒子的能级分布也是分立的。当粒子所处于的能量状态发生变化，或者说当粒子从一个能级向另外一个能级发生跃迁时，必然伴随着该粒子与其本身以外的其他客体（包括其他粒子、外部光场、外部声场等）发生作用与交换能量的过程。这里只考虑粒子与外界光场之间的相互作用与交换能量过程：当粒子由较高能级向较低能级跃迁时发射出光子；反之，当粒子由较低能级向较高能级跃迁时吸收光子。具体说来，对于一个处于较低能级上的粒子而言，它可吸收一个特定频率的光场组成基元──光子，而跃迁到较高的能级；这种过程称为受激吸收过程或简称吸收过程，满足的条件为hn＝e1 - eo，这里hn 为一个被吸收光子的能量( h为普朗克常数, n 为光场频率),e1 – eo＝ de为高低能级之间的能量差，如图a自发辐射和受激辐射黑点表示工作粒子,波纹线表示光子所示。另一方面，对于一个已经处于较高能级上的粒子而言，它可以两种方式向较低能级跃迁并同时发射出一个光子：一种是以不依赖于外界光场存在与否，自发地发射出一个光子，这种过程称为自发辐射过程，如图b 自发辐射和受激辐射黑点表示工作粒子，波纹线表示光子所示；另外一种方式是在一定频率的外界光场（光子）作用下，被迫或受激地发射出一个光子的过程，称为受激辐射过程,如图c自发辐射和受激辐射黑点表示工作粒子, 波纹线表示光子所示。两种情况下所发射出的光子性质有所区别：自发辐射出的光子,在其传播方向、偏振等特性方面具有随机性质；而受激辐射出的光子，其频率、传播方向、偏振等特性则保持与入射光子全同。

　　理论分析表明，处于较高能级上的单个粒子在单位时间内在给定外界光场作用条件下的受激辐射跃迁几率，正好等于同样条件下处于较低能级上单个粒子单位时间内的受激吸收的跃迁几率。由于在通常情况下，组成物质的大量粒子在不同能级上的统计分布遵循或近似遵循玻耳兹曼分布律；按此规律，在较低能级上布居的粒子总数永远大于在较高能级上布居的粒子总数；因此，粒子体系对外界入射光场所表现出的总的效果，是吸收作用占优势，亦即入射光场通过这样的粒子体系后会发生不同程度的衰减，并且衰减的程度正比于低、高能级上的粒子数之差。

　　如果所考虑的组成某种物质的粒子体系不是处于常态，而是受到某种形式的选择性激励（如光辐照、放电、粒子束轰击、化学反应等），则在上述选择激励的作用下，粒子不再遵守玻耳兹曼分布律，并且有可能在粒子体系的某些个别的高低能级间实现粒子数分布反转，亦即特定高能级上的粒子布居数大于特定低能级上的粒子布居数。此情况下，处于特定高能级上较多的粒子产生受激辐射跃迁的总几率，会大于处于特定低能级上较少粒子产生受激吸收跃迁的总几率；因此该粒子体系对特定频率的光场所表现出的总的效果，是受激辐射作用占优势，亦即通过粒子体系后，组成光场的光子数目有所增加，并且所增加的这些光子的状态（以频率、传播方向和偏振等为标志）与入射光子的状态完全相同。这就是粒子数反转体系对光的受激辐射放大作用或光的相干放大作用，这种作用是激光赖以产生的zui根本的因素。

三、主要特点

人们常见到的各类普通光源（太阳、白炽灯、气体放电灯等）的发光机理，都是基于自发辐射过程,亦即处于较高能级上的粒子集合,以不依赖于外界光场的方式自发地和杂乱无章地发射光子的过程。就发光的空间分布特性而言，自发辐射在空间所有方向上是随机分布的，这意味着普通光源发光的定向性很差。就发光的频谱特性而言，普通光源发光是大量能级之间同时产生自发辐射跃迁的过程,因此发光的单色性很差,均匀地分布在较宽的频谱范围内。

　　由于激光器的工作原理是基于特定能级间粒子数反转体系的受激辐射过程，因此就决定了它所发出的激光辐射具有一系列与普通光辐射不同的鲜明特点。

1、高定向性

由激光器发射出的激光辐射是以定向光束的方式几乎是不发散地沿空间极小的立体角范围（一般为10-5～10-8球面度）向前传输。激光的高定向性，主要是由受激辐射放大机理和光学共振腔的方向限制作用（限横模作用，见激光限模技术）所定的。

2、高单色性

由激光器发射出的激光辐射能量，通常只集中在十分窄的频率（光谱）范围内，因此具有很高的单色性。这首先是因为工作物质的粒子数反转只能在有限的能级之间发生，因此相应的激光发射也只能在有限的光谱线（带）范围产生；其次是即使在上述光谱范围内,也不是全部频率都能产生激光振荡,由于光学共振腔内多光束干涉引起的共振选择作用(限纵模作用)，使得真正能产生振荡的激光频率范围进一步受到更大程度的压缩。设激光器输出的中心频率为 n ，频谱宽度为 dn ，则在较好情况下，其单色性的表征量 n/dn 可高达1010～1013数量级；而作为对比,较好的单色光源的单色性量值只有106数量级左右。

3、高亮度

光源的亮度，是表征光源定向发光能力强弱的一个重要参量指标，它定义为光源单位发光表面沿给定方向上单位立体角内发出的光功率的大小。普通光源的亮度值相当低，例如对自然界中zui强的光源太阳而言，其发光亮度值大约为 l ≈ 103 瓦/(厘米2.球面度)数量级左右；而目前大功率激光器的输出亮度,可高达l ≈1010～1017 瓦/（厘米2.球面度）数量级左右。在以上的亮度定义中，没有考虑到光源发光的单色性程度，为更全面地评价光源发光的功率、定向性和单色性的高低，有必要进一步引入单色亮度的概念，它定义为光源单位发光面积、单位立体角和单位频谱宽度内的发光功率大小，设光源发光谱线的频谱宽度为 dn ，则普通亮度l与单色亮度l’ 之间有如下的简单关系：l’ = l/dn。对太阳而言,可见光(5 000埃左右)附近的单色亮度值l’ ≈ 10-12瓦／（厘米2.球面度.赫）量级左右;目前大功率激光器输出亮度值可高达 l’ ≈ 104～107瓦/（厘米2.球面度.赫）量级左右。

4、高光子简并度

按照辐射的量子理论，可以认为光辐射场是由一群光子的集合。而占据着空间一定体积、一定立体角和一定频率范围的光子集合，又是分别处于一定数目的彼此可以区分开的量子状态（或称模式）之内；每个量子状态内的平均光子数，定义为光子简并度，它表示有多少个性质全同的光子（它们具有相同的能量、动量和偏振）共处于一个量子状态之内。对太阳来说，在可见光谱区的光子简并度大约为10-3～10-2数量级左右；对其他各种人造光源来说，光子简并度数值也远小于 1 。对于激光器而言，由于光学共振腔对激光振荡模式有较强的限制作用（见激光共振腔技术），从而可使输出激光辐射的光子简并度达到较高的数值；例如对于大功率激光器而言，输出光子简并度可高达1014～1017数量级。

5、高相干性

由于激光具有高单色性和高定向性特点，因此从经典电磁场的观点来看，激光辐射比较接近于理想的单色平面波(不聚焦时)或单色球面波(聚焦时)，即比较按近于理想的完全相干的电磁波场。如所周知，电磁波场的相干性可分别从两个方面来加以描述，亦即横向相干性（或称空间相干性）和纵向相干性（或称时间相干性）。光场的横向相干距离由其发散角所决定（与平面发散角成反比）;对激光而言,平面发散角可压缩到接近于衍射极限角，则横向相干距离接近于光束本身的横向尺寸，这意味着整个光束截面内各点的光振动都是彼此相干的。光场的纵向相干长度由其单色性决定（与光谱线的频宽成反比），单色性越好则纵向相干长度越长，对激光而言，由于其谱线宽度可压缩到非常窄的程度，因此纵向相干长度可大幅度提高。，激光的高相干性，主要是由其高定向性和高单色性所决定的。

    四、激光的应用

    激光器发出的激光辐射，具有高定向性、高单色性、高相干性、高亮度性以及可调谐等特点，从而突破了以往所有普通光源和普通光辐射的种种局限性，引起现代各种光学应用技术的革命性进展。

1、工业上的应用

利用激光的高亮度和高定向性的特点，可以把激光辐射能量集中在较小的一定空间范围内，从而获得比较大的光功率密度，产生几千度到几万度以上的高温；在此高温下，任何金属和非金属材料都会迅速熔化或者汽化，因此可利用激光进行多种特殊的非接触特种加工作业。目前比较成熟的应用有激光打孔、激光焊接、激光切割、激光划片、激光表面处理和激光印刷、激光信息存储等。

　　在化学工业中，利用激光的高亮度、高单色性和可调谐等特点，可以对特定的化学反应进行控制，从而实现光学催化、光学聚合、光学合成、光学提纯和光学分离等过程。目前，利用激光分离同位素的研究工作已经取得了很大的进展。利用激光合成各种特殊的化学物质，在技术上也取得不少的成功。

　　在大型装备和建筑施工中，激光准直与定向技术有广泛而富有成效的应用。例如，利用氦氖激光器制成的激光指向仪、激光铅直仪、激光水准仪和激光经纬仪等，在大型船舶制造、大型建筑和筑路施工、管道和电缆铺设以及隧道开凿和矿井掘进等工程中，应用效果都很好。

2、农业、生物学和医学上的应用

在农业方面，利用激光辐射作用可达到选择和培育优良品种的目的。利用激光还可以研究植物从发芽直到成熟结籽的各种基本过程以及光合作用的基本机理；研究病虫害的发生发展规律及防治方法，各种农副产品的保管方法；此外，还可以利用激光遥测对农作物产量进行估算和预报等。

　　在医学领域，随着激光技术的出现，一种新型的以激光为基础的医疗和诊断手段得到了迅速的发展，激光治疗的方式包括辐照、烧灼、汽化、焊接、光刀切割以及光针针炙等。目前，除了临床治疗外，激光还可作为研究医学和生物学课题的有效工具。例如研究激光作用到人或动物体上引起的各种生物学效应；利用激光来研究细胞的组成、分裂、生长和转化等，从而可加深人们对新陈代谢、遗传和发育等生命基本过程的理解。此外，借助于激光技术还可以制成各种新型诊断和测量分析仪器，如激光显微光谱分析仪、激光扫描显微镜、激光显微解剖刀、激光血球计数仪等装置，可在医学和生物学研究中发挥出特殊的效用。

3、   激光通信

激光是一种光频波段的相干电磁波辐射，因此自然可以利用激光作为光频电磁载波而传递各种信息。激光通信的原理与普通的无线电通信相类似；所不同的是，无线电通信是把声音、图像或其他信号调制到无线电载波上发送出去，而激光通信则是把声音、图像或其他信息调制到激光载波上发送出去。激光通信的优点主要是：传送信息容量大、通信距离远、保密性高以及抗干扰性强。激光通信可分为地面大气通信、宇宙空间通信和光学纤维通信等几大类。

　　在较好的地面气候条件下，可以实现几十公里至上百公里间的定点激光通信；但是激光束一旦受到大气中云、雨、雾、烟尘等因素的影响就会发生衰减和起伏扰动，从而使通信距离和通信质量都受到较大限制。为从根本上克服激光地面大气通信的上述缺点和限制，世界上很多国家在发展激光纤维通信方面作了很大努力，并已取得了可喜的成果。在这种通信系统中，载有通信信息的激光束沿着直径小于 0.1毫米的优质光学纤维波导传输，因而从根本上排除了大气中各种衰减和干扰因素的影响。

　　在地球大气层外的宇宙空间，激光束基本上不受任何衰减和干扰影响，因此可实现极远距离间的定向通信联系。人造卫星和宇宙飞船之间的激光通信系统正在研制过程中。

　　利用激光的高定向、高亮度以及可沿空间不同方向和不同位置进行精细扫描的特性，人们可实现激光传真通信，即把图片、文件、样本、字迹等信息，通过激光束的扫描作用而转变为被调制了的电信号发送出去，在接收端通过解调制作用和显示设备，再把所传送的图像信号复现出来。激光传真技术可应用于书写电话、书写电报以及报纸、文件、样本等图像文字信息的快速远距离传输。在电视和录像技术中，可利用定向的激光束扫描代替定向的电子束扫描，从而实现高空间分辨、高保真的图像显示；此外还可利用红外激光扫描而在黑暗环境中拍摄电视或进行录像。

　　zui近几年，基于定向激光束扫描记录和扫描检测的原理，人们还制成了商品化的视频录像盘，利用一张普通唱片大小但却是特制的塑料膜盘，可记录约一小时左右的电视节目或录像节目；然后借助激光检测设备，可把塑料膜盘录下的节目随时在电视机上复映出来。

4、激光雷达和激光精密测量

尽管现代无线电和微波雷达已发展到非常完善的程度并已取得十分明显的成就，但在某些情况下，它们仍存在一定的局限性和不足。这主要表现在雷达系统的测距与方位测量精度受到脉冲宽度和载波波长等因素的限制；由于受到地面假回波影响而不能很好地探测地面和低空目标；此外，普通雷达还很容易受到各种电磁干扰和核爆炸等因素的干扰。

激光技术出现后，利用高亮度、高定向性和脉冲持续时间十分短的激光束来代替普通雷达的微波或无线电波射束，可以大幅度提高测距和测方位精度。激光雷达与测距的另一个优点，是可以不受地面假回波影响而测量各种地面和低空目标，从而填补了普通雷达的低空盲区空白。此外，激光雷达与测距完全不受各种电磁干扰，不但使目前已有的各种雷达干扰手段完全失效，而且还可突破诸如导弹再入弹头周围等离子体层的屏蔽作用，或者核爆炸产生的电离云的干扰作用。

　　为了以较高的精度测量较小的距离或物体的长度，就必须采用光学干涉测长方法。在激光技术出现以前,普通干涉测长方法受到所使用的普通光源单色性的限制，zui大量程不超过一米左右，zui小的测量误差也只能达到零点几微米左右。但若采用激光干涉测长技术，量程范围在原则上可扩大到几百米到几十公里以上，而测长的精度可成千上万倍地改善。

　　在计量标准方面，利用单色性和频率稳定性极高的特殊激光器系统，还可建立起以激光为基础的长度、时间和频率的国际新标准。比如 ,用单色和稳频精度为10-13量级的激光器作为光频计时标准，它在一年长时间里所给出的计时误差不超过一微秒，大大超过了目前采用的微波频段原子钟的计时精度。

五、             展望

激光在上述各方面的中小型应用，一般都已取得肯定的成效，并不同程度地进入了使用推广和发展完善阶段。下面，将进一步介绍正处在探索或研究发展阶段的重大的激光应用项目。这些项目如果zui终获得成功，将会引起现代科学技术的一些新的重要突破；因此，受到世界技术先进国家的极大重视，并投入了较多的人力和物力。

　　首先是激光辐射武器的研制问题。一般认为，输出能力极强的激光器装置，在原则上可以发展成为激光辐射武器，用来摧毁敌方的弹道导弹、巡航导弹、战略轰炸机以及军用卫星等高速飞行目标。在某些情况下，还可以用激光辐射来干扰和破坏敌方的军事侦察卫星、红外制导导弹、红外侦察和监视等武器和装置中的光学导航设备或关键的光敏元件，从而使这些武器和装置失灵。

　　其次是激光在原子能科学技术中的应用。激光技术出现后，人们发现，利用铀的不同同位素在激光作用下可呈现出不同物理或化学反应的特性，能够巧妙地设计出以激光可调谐共振辐照作用为基础的新型方法，从而有可能使同位素分离的程序和相应的程序大为简化，分离成本降低，而效率大为提高。因此，激光分离同位素的研究工作，引起许多国家的重视，有可能引起原子能技术的新发展。激光聚变可参见惯性约束聚变。

　　由于激光在宇宙空间定向传输过程中的光能损耗很小，故传输到极远的距离外仍可有效地发生作用。宇宙航行和空间技术中，除了可以用于通信、导航和自动控制等方面外，还可以考虑用激光在宇宙空间中传送能量，或者直接用它作为星际航行的动力。人们已经提出利用强激光的光压、光热、光化学反应或者光子反冲效应来推动光子火箭或激光动力宇宙飞船的设想。

激光技术的出现，不但促进了应用技术学科的发展；而且还将极大地促进现代物理学、化学、天文学、宇宙科学、生物学和医学等一系列基础科学的进展。非线性光学（或所谓强光光学）这一新兴光学分支学科领域的出现与发展，就是激光技术对现代物理学发展所起促进作用的明显实例。现在，利用激光可以作为一种强有力的技术手段，来产生像超高温、超高压、超高速、超高场强、超高密度、超高真空等一些极端物理条件，从而便于人们去发现一些新问题、新现象，并对一些已有的重大理论结论进行新的实验和论证。例如，利用激光技术可以研究超光速运动问题和光子的静止质量问题，从而有可能对狭义相对论进行更深入的研究；利用激光技术也有可能创造必要的条件，进行和广义相对论有关的重大原理性实验。此外，还可以利用激光技术来探讨有关宇宙模型和星系结构这一范围更加广泛、意义更加深远的重大科学课题。