激光技术的应用现状与未来发展

龙源期刊网激光技术的应用现状与未来发展作者：葛志来源：《世界家苑·学术》2018年第05期摘要：自1960年5月15日，梅曼研制成功了世界上第一台红宝石激光器后，激光器的发展就十分迅速。而在此之后，在王之江院士的主持下，中国第一台红宝石激光器于1961年8月在中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功[1]，随后国内激光技术的发展在数量和质量上都能与国际水平匹敌。激光器主要由三个部分：工作物质、激励源、谐振腔构成。在激光器诞生后，以激光器为基础的激光技术在医学、军事、工业、农业上都得到了广泛的应用。本文对激光技术在不同领域上的应用进行阐述，对当前的激光技术进行研究，并对其发展前景作出展望。随着现代科技的发展，想必激光技术的应用和发展也会越来越广阔。关键词：激光；医学；军事；工业；农业引言激光的英文名称为“LASER”，是由英文”Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”每个词的首字母组成的。直到现在激光的发现为人类的发展做出了巨大的贡献。如今，激光雷达、激光切割、激光测距仪、激光枪、激光针灸等在我们生活中都随处可见。而这一系列的应用原理都取决于激光的受激辐射。1.激光概述1.1激光的起源1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念，到了1960年梅曼发明出第一台红宝石激光器后，激光登上了世界大舞台，并迅速发展。这一发展不仅促进了激光新产业的出现，更带动了其他产业的共同进步。人们利用这一先进技术获得了空前的效益和成果。1.2激光的原理在组成物质的原子中，有不同数量的粒子或电子分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跃迁到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”[5]，简称激光。1.3激光产生的条件（1）受激辐射龙源期刊网受激辐射是产生激光的首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。（2）工作物质必须具有亚稳态能级。（3）粒子数反转在常温下，吸收多于发射。选择适当的物质，使其在亚能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子数反转，使受激发射多于吸收。（4）谐振腔激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章[5]。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个振荡腔。（5）增益大于损耗只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，才能有放大作用。1.4激光的特性（1）相干性好由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。[5]（2）方向性好激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1000公里以上。[7]（3）单色性好普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。（4）高亮度激光的亮度可比普通光源高出1012-1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。[5]激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。龙源期刊网激光在军事上的应用（1）激光致盲武器激光致盲武器的射击对象是人眼以及光学和光电装置等目标。激光致盲武器射击人眼，可造成暂时失明或永久性致盲，甚至使视网膜爆裂，眼底大面积出血。激光致盲武器也可对光电系统和光电装置造成损伤，使其失去观测能力，它可使导弹导引头中的光电传感致盲，从而失去跟踪目标能力，使光电引信过早或不能引爆，从而使弹头失去杀伤作用。[7]坦克、反潜艇作战中，激光致盲武器有很大的发展潜力。（2）激光雷达激光雷达是指用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。它由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，天线是光学望远镜，接收机采用各种形式的光电探测器。[2]激光雷达可向目标发射探测信号，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息。2.2激光在医学上的应用（1）用于治疗激光治疗现已大量应用于临床所有各科，比如用高功率高密度的激光束来进行切除手术。相比传统的人工手术，这种手术精确度更高，损伤率更小。激光刀还能通道光导纤维进入人的体内进行手术。[2]而低功率的激光束直接照射人体组织不会损耗人体的细胞，对人体伤害很小，具有无痛的重要特性。还可以用激光用于化学疗法，而这种方法已经应用于早期食道癌和肺癌的治疗。而激光在医学最早应用是在眼科上的青光眼等症状治疗。（2）用于诊断根据激光光生的荧光光谱的不同，来分辨正常和不正常的机体体质。而激光诊断运用了激光的方向性好、单色性好及时间和空间相干性好的特性。[3]通过一系列的光学现象进行识别与诊断。2.3激光在工业上的应用不同的激光装置可以进行焊接、打孔、切割等工艺。激光焊接时通过激光脉冲的宽度、能量、峰值功率来使零件融化，形成特定的熔池。[7]激光焊接应用于电子元器件、机械零件、龙源期刊网钟表、手机电池等。而激光切割利用激光束聚焦成一个很小的光点，使得材料表面温度升高至汽化状态，从而形成空洞。对于其他办法，激光加工没有污染，加工精度高，热影响小。3.激光的发展现状3.1国外的发展现状与中央处理器是计算机产业的核心类似，激光器是激光产业的核心。近年来，由于先进激光的日渐成熟和应用的快速拓展，激光器尤其是工业用光纤激光器，市场规模迅速壮大。从全球市场来看，2011年全球激光器市场规模为75.7亿美元，工业用激光器规模约25亿美元。在激光显示领域，德、日、美、韩等国均投入巨大的人力物力进行激光显示技术的研究，主流的显示企业像索尼、三菱、三星、日立、东芝等公司都在进行激光显示方面的研究。不得不承认国外的激光发展速度十分快。3.2国内的发展现状及存在问题我国激光产业具有很好地发展前景。近年来，激光行业的盈利额不断高速增长，我国政府也高度重视激光技术发展工作，目前，全国形成了武汉、长春、深圳等激光产业基地，发展出团结激光、大族激光、华工激光等企业。从技术水平看，但同时也存在着很多问题。相比美国、德国等其他国家，我国起步较晚。目前高端产品和市场基本上被国外产品垄断，高功率光纤激光器主要依赖进口，并受到很多限制。[1]而且科研成果转化为商品的能力差，许多有市场前景的成果停留在实验室里，同时激光加工系统的核心部件激光器的品种少、技术落后、可靠性差。4.激光的未来发展在当今这个科技高速发展的社会中，信息化越来越重要。而激光技术的发现则为信息化时代拉开的帷幕。随着激光产业占比越来越高，人类将更加大力发展激光技术。在未来尤其是对激光器的研究更为深刻，比如提高其输出功率、优化光束的质量、制造超短脉冲锁模光纤激光器等等。而中国具有巨大的潜力市场，加以投入的话，引发的经济效益将无法想象。激光器未来在军事、医疗、工业加工、打印等上会产生更深入的应用，而这些应用一定会带来一个新的经济增长点，从而促进中国整体的发展。参考文献[1].王忠世.激光的应用现状与发展趋势[J].吉林：长春光学精密机械与物理研究所，2007[2].激光技术的应用与发展前景[D].吉林，2014[3].李海腾子.激光技术在医学上的应用概述[J]，2013龙源期刊网[4].葛强.光纤激光器的应用[J].《光机电信息》，2006[5].阎吉祥.激光原理与技术[M].第二版.北京：高等教育出版社，2004[6].激光在工业上的应用[7].TraubM，BockM，HoffmannHD，etal.Novelhighpeakcurrentpurlseddiodelasersourcesfordirectmaterialprocessing[J].SPIE，2007，6456：64560J[8].百度百科作者简介葛志（1996-），男，江苏省宿迁市人，民族：汉职称：无学历：本科研究方向：电子信息工程，单位：江苏师范大学物理与电子工程学院电子信息系。（作者单位：江苏师范大学）