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2008-10-08 16:50 |
激光技術(shù)及其應(yīng)用
概念：激光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發(fā)出的具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。物理學(xué)家把產(chǎn)生激光的機(jī)理溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時提出的假說，即光的吸收和發(fā)射可經(jīng)由受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射三種基本過程。 c ]ll89`||
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那么激光是如何產(chǎn)生的呢？ !{ r@ H+Kf
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眾所周知，任何一種光源的發(fā)光都與其物質(zhì)內(nèi)部粒子的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)處于低能級上的粒子（原子、分子或離子）吸收了適當(dāng)頻率外來能量（光）被激發(fā)而躍遷到相應(yīng)的高能級上（受激吸收）后，總是力圖躍遷到較低的能級去，同時將多余的能量以光子形式釋放出來。如果光是在沒有外來光子作用下自發(fā)地釋放出來的（自發(fā)輻射），此時被釋放的光即為普通的光（如電燈、霓虹燈等），其特點(diǎn)是光的頻率大小、方向和步調(diào)都很不一致。但如果是在外來光子直接作用下由高能級向低能級躍遷時將多余的能量以光子形式釋放出來（受激輻射），被釋放的光子則與外來的入射光子在頻率、位相、傳播方向等方面完全一致，這就意味著外來光得到了加強(qiáng)，我們稱之為光放大。顯然，如果通過受激吸收，使處于高能級的粒子數(shù)比處于低能級的越多（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)），這種光的放大現(xiàn)象就越明顯，這時就有可能形成激光了。 d<_IC7$u>
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接下來說說激光的特性和特征。 Np
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激光之所以被譽(yù)為神奇的光，是因?yàn)樗衅胀ü馑耆痪邆涞乃拇筇匦浴?nbsp; /jc;
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1.方向性好 ——普通光源（太陽、白熾燈或熒光燈）向四面八方發(fā)光，而激光的發(fā)光方向可以限制在小于幾個毫弧度立體角內(nèi)（圖8-9），這就使得在照射方向上的照度提高千萬倍。激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測距就是利用方向性好這一特性。 /GP:W6:6z6
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2.亮度高 ——激光是當(dāng)代最亮的光源，只有氫彈爆炸瞬間強(qiáng)烈的閃光才能與它相比擬。太陽光亮度大約是103瓦／（厘米2.球面度），而一臺大功率激光器的輸出光亮度經(jīng)太陽光高出7～14個數(shù)量級。這樣，盡管激光的總能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小點(diǎn)處產(chǎn)生高壓和幾萬攝氏度甚至幾百萬攝氏度高溫。激光打孔、切割、焊接和激光外科手術(shù)就是利用了這一特性。 hs)_h^P
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3.單色性好 ——光是一種電磁波。光的顏色取決于它的波長。普通光源發(fā)出的光通常包含著各種波長，是各種顏色光的混合。太陽光包含紅、登、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的可見光及紅外光、紫外光等不可見光。而某種激光的波長，只集中在十分窄的光譜波段或頻率范圍內(nèi)。如氦氖激光的波長為632.8納米，其波長變化范圍不到萬分之一納米。由于激光的單色性好，為精密度儀器測量和激勵某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了極為有利的手段。 =VSUE
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4.相干性好 ——干涉是波動現(xiàn)象的一種屬性�；诩す饩哂懈叻较蛐院透邌紊缘奶匦�，它必然相干性極好。 zM%2h:*+{
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那人類要怎么控制激光的產(chǎn)生并利用激光呢？那就是下面談到的激光器。 !J }Q% i
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各式各樣的激光器. 在光源中，實(shí)現(xiàn)能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)光放大的前提，也就是產(chǎn)生激光的先決條件。 I~M@v59C
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要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需借助外來光的力量，使大量原來處于低能級的粒子躍遷到高能級上去，這個過程我們稱之為“激勵”。我們通常所說的激光器，就是使光源中的粒子受到激勵而產(chǎn)生受激輻射躍遷，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，然后通過受激輻射而產(chǎn)生光的放大的裝置。激光器雖然多種多樣，但使命都是通過激勵和受激輻射而獲得激光。因此基本組成通常均由激活介質(zhì)（即被激勵后能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)）、激勵裝置（即能使激活介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能源，泵浦源）和光諧振腔（即能使光束在其中反復(fù)振蕩和被多次放大的兩塊平面反射鏡）等三個部分組成。經(jīng)過30余年的發(fā)展，各國開發(fā)出實(shí)用的激光器已超過200種。種類繁多，特點(diǎn)各異，用途也各不相同。各種激光器主要是為了滿足不同的應(yīng)用目的。如激光加工和某些軍用激光都要求高功率激光或高能量激光（即所謂強(qiáng)激光）。有的希望脈沖的時間盡量縮短，以從事某些特快過程的研究。有的還對提高光的單色性、改善輸出光的模式、改善光斑的光強(qiáng)分布以及要求波長可調(diào)等提出了很高的要求，從而使激光器的探索深度和應(yīng)用廣度得到前所未有的發(fā)展。 ! M 7727
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有了激光器，那激光有哪些應(yīng)用呢？ cS|W&IH1
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首先是軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。這個我對軍事領(lǐng)域還是比較感興趣的。 Vg`32nRN
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為了滿足軍事應(yīng)用的需要，主要發(fā)展了以下5項(xiàng)激光技術(shù)：①激光測距技術(shù)。它是在軍事上最先得到實(shí)際應(yīng)用的激光技術(shù)。20世紀(jì)60年代末，激光測距儀開始裝備部隊,現(xiàn)已研制生產(chǎn)出多種類型,大都采用釔鋁石榴石激光器，測距精度為±5米左右。由于它能迅速準(zhǔn)確地測出目標(biāo)距離，廣泛用于偵察測量和武器火控系統(tǒng)。②激光制導(dǎo)技術(shù)。激光制導(dǎo)武器精度高、結(jié)構(gòu)比較簡單、不易受電磁干擾，在精確制導(dǎo)武器中占有重要地位。70年代初，美國研制的激光制導(dǎo)航空炸彈在越南戰(zhàn)場首次使用。80年代以來，激光制導(dǎo)導(dǎo)彈和激光制導(dǎo)炮彈的生產(chǎn)和裝備數(shù)量也日漸增多。③激光通信技術(shù)。激光通信容量大、保密性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)。光纖通信已成為通信系統(tǒng)的發(fā)展重點(diǎn)。機(jī)載、星載的激光通信系統(tǒng)和對潛艇的激光通信系統(tǒng)也在研究發(fā)展中。④強(qiáng)激光技術(shù)。用高功率激光器制成的戰(zhàn)術(shù)激光武器，可使人眼致盲和使光電探測器失效。利用高能激光束可能摧毀飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等軍事目標(biāo)。用于致盲、防空等的戰(zhàn)術(shù)激光武器，已接近實(shí)用階段。用于反衛(wèi)星、反洲際彈道導(dǎo)彈的戰(zhàn)略激光武器，尚處于探索階段。⑤激光模擬訓(xùn)練技術(shù)。用激光模擬器材進(jìn)行軍事訓(xùn)練和作戰(zhàn)演習(xí)，不消耗彈藥，訓(xùn)練安全，效果逼真�，F(xiàn)已研制生產(chǎn)了多種激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，在各種武器的射擊訓(xùn)練和作戰(zhàn)演習(xí)中廣泛應(yīng)用。此外，激光核聚變研究取得了重要進(jìn)展，激光分離同位素進(jìn)入試生產(chǎn)階段，激光引信、激光陀螺已得到實(shí)際應(yīng)用。 I(Q3YDdb
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激光技術(shù)的應(yīng)用已廣泛深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)乃至社會的各個方面，對人類社會的進(jìn)步正在起著越來越重要的作用。除了上面談到的軍事領(lǐng)域，當(dāng)然還有諸多領(lǐng)域。比如說激光在信息領(lǐng)域和全息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用 UDgUbi^v|D
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激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用 半導(dǎo)體激光器和光纖放大器是光纖通信的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光不僅單色性和相干性好，而且光波頻率比微波頻率又高萬倍，故以激光為傳遞信息的載體，用光纖做信息傳遞線路的光纖通信，不僅通信質(zhì)量好、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上萬倍。一根比頭發(fā)絲還細(xì)的光纖，就可以同時傳輸上萬路電話或成千路電視節(jié)目，從而使通信真正成為通向千家萬戶的網(wǎng)絡(luò)新時代。利用激光技術(shù)進(jìn)行光存儲，使信息的存儲發(fā)生了革命性的飛躍。激光技術(shù)使光存儲容量大大增加。一張計算機(jī)用的盤徑為5英寸的CD-ROM，容量可達(dá)650兆比特。此外，激光打印機(jī)、激光傳真機(jī)、激光照排、激光大屏幕彩色電視、光纖有線電視以及大氣激光通訊等均已得到廣泛應(yīng)用。 PAjH*5I A
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2、激光在全息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用. 光作為一種波動現(xiàn)象，表征它的物理量有波長（同顏色有關(guān)）、振幅（同光的強(qiáng)弱有關(guān)）和位相（表示波動起點(diǎn)同基準(zhǔn)時間的關(guān)系）。人們利用感光的照相方法，只能記錄下波長和振幅，所以無論照得多么逼真，看照片和看真的景物總是不一樣。而激光具有高相干性，能獲取干涉波空間包括相位在內(nèi)的全部信息。因此，采用激光進(jìn)行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通過光的衍射，就能復(fù)現(xiàn)被攝取物體栩栩如生的立體形象。時至今日，在全息照相的基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步發(fā)展了全息干涉術(shù)、彩色全息及彩虹全息和周視全息等新的全息技術(shù)。 全息照相具有三維成像的特點(diǎn)，可重復(fù)記錄，而且每一小塊全息底片都能再現(xiàn)物體的完整立體形象，其用途十分廣泛�？蓮V泛用于精密干涉計量、無損探傷、全息光彈性、微應(yīng)變分析和振動分析等科學(xué)研究。利用全息干涉術(shù)研究燃?xì)馊紵^程、機(jī)械件的振動模式、蜂窩板結(jié)構(gòu)的粘結(jié)質(zhì)量和汽車輪胎皮下缺陷檢查等已得到廣泛應(yīng)用。全息照相用作商品和信用卡的防偽標(biāo)記已形成產(chǎn)業(yè)，用全息照相拍攝珍貴藝術(shù)品，不僅欣賞起來令人如臨其境，而且為藝術(shù)品的修復(fù)提供了可靠而逼真的依據(jù)。正在發(fā)展的全息電視還將為人們增添一種新的生活享受。 3AC/;WB9
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總之，激光作為高新技術(shù)，不僅只是一項(xiàng)技術(shù)，他的應(yīng)用也不只是局限于軍事領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用在人們的日常生活中。激光技術(shù)及其應(yīng)用你將給人類社會帶來巨大的收益。
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