解讀激光和激光技術的」前世今生

導語：

激光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發出的具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。激光技術，就是探索開發各種產生激光的方法以及探索應用激光的這些特性為人類造福的技術的總稱。

激光是20世紀人類最重大的發明之一，激光技術的應用已廣泛深入到工業、農業、軍事、醫學乃至社會的各個方面，對人類社會的進步正在起著越來越重要的作用，正奇蹟般地改變著我們的世界。

激光產生條件

激光的產生需要滿足三個條件：粒子數反轉、諧振腔反饋和滿足閾值條件。

如果光在外來光子直接作用下由高能級向低能級躍遷時將多餘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，稱之為光放大。如果通過受激吸收，使處於高能級的粒子數比處於低能級的越多(粒子數反轉)，光放大現象就越明顯，這時就有可能形成激光。

激光四大特性

方向性好——普通光源（太陽、白熾燈或熒光燈）向四面八方發光，而激光的發光方向可以限制在小於幾個毫弧度立體角內，這就使得在照射方向上的照度提高千萬倍。

亮度高——激光是當代最亮的光源。太陽光亮度約為1.865×109cd/m2，而一台大功率激光器的輸出光亮度高出太陽光7～14個數量級。

單色性好——光的顏色取決于波長。普通光源發出的光通常包含著各種波長，是各種顏色光的混合。而某種激光的波長只集中在十分窄的光譜波段或頻率範圍內。如氦氖激光的波長為632.8nm，其波長變化範圍不到萬分之一納米。

相干性好——基於激光具有高方向性和高單色性的特性，它必然相干性極好。激光的這一特性使全息照相成為現實。

激光技術

1960年美國研製成功世界上第一台紅寶石激光器，我國於1961年研製成功國產首台紅寶石激光器。自此，激光技術被認為是20世紀繼量子物理學、無線電技術、原子能技術、半導體技術、電子計算機技術之後的又一重大科技新成就。

50多年來，激光技術得到突飛猛進的發展，不僅研製了各個特色的多種多樣的激光器（各國開發出實用的激光器已超過200種），而且激光應用領域不斷拓展，形成了激光唱盤唱機、激光醫療、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光列印以及激光武器等一系列新興產業。激光技術的飛速發展，使其成為當今新技術革命的「帶頭技術」之一。

激光的應用

在信息領域的應用。半導體激光器和光纖放大器。

半導體激光器發出的激光不僅單色性和相干性好，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，不僅通信質量好、抗干擾能力強、保密性好，而且通信容量比微波通信提高上萬倍。

利用激光技術進行光存儲，使信息的存儲發生了革命性的飛躍。一張CD聲頻光碟的記錄密度相當於1000萬bit/cm2，可記錄78分鐘的音樂節目，比密紋唱片要大好幾個數量級。

此外，激光印表機、激光傳真機、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用。

在全息術領域的應用

激光具有高相干性，能獲取干涉波空間包括相位在內的全部信息。因此，採用激光進行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通過光的衍射，就能復現被攝取物體栩栩如生的立體形象。

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全息照相具有三維成像的特點，可重複記錄，而且每一小塊全息底片都能再現物體的完整立體形象，可廣泛用於精密干涉計量、無損探傷、全息光彈性、微應變分析和振動分析等科學研究。全息照相用作商品和信用卡的防偽標記已形成產業，用全息照相拍攝珍貴藝術品，不僅欣賞起來令人如臨其境，而且為藝術品的修復提供了可靠而逼真的依據。正在發展的全息電視還將為人們增添一種新的生活享受。

在醫療領域的應用。激光診斷與激光治療

在激光診斷方面，激光可穿透到組織較深的地方進行診斷，直接反映組織病況，給醫生診斷提供了充分依據。

在激光治療方面，激光技術已成為臨床治療的有效手段，也成為發展醫學診斷的關鍵技術。它解決了醫學中的許多難題，例如激光手術治療切口小，對組織基本沒有損害或損害極小，毒副作用反應少。目前，激光臨床應用領域包括近視矯正、視網膜修補、蛀牙修復、分子級微創手術等，當前激光醫學的出色應用主要表現在以下方面：光動力療法治癌；激光治療心血管疾病；準分子激光角膜成形術；激光美容術；激光纖維內窺鏡手術；激光腹腔鏡手術；激光胸腔鏡手術；激光關節鏡手術；激光碎石術；激光外科手術；激光在吻合術上的應用；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應用；弱激光療法等。目前，激光治療在基礎研究、新技術開發以及新設備研製和生產等諸多方面都保持持續的、強勁的發展勢頭。

激光加工

利用激光的高強度（亮度）聚焦激光束在1 ms內能發射100J的光能量，聚焦起來足以使材料在短時間內融化或汽化，從而對不同特性難以加工的材料進行加工處理，如：焊接、打孔、切割、熱處理、光刻等。

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激光清潔

激光切割

激光加工具有精度高、畸變小、無接觸、能量省等優點，其應用領域幾乎可以覆蓋整個機械製造業，包括礦山機械、石油化工、電力、鐵路、汽車、船舶、冶金、醫療器械、航空、機床、發電、印刷、包裝、模具、製藥等行業。其中關鍵零部件和精密設備的磨損和腐蝕都能很好地利用激光熔覆技術進行修復和優化，成為化腐朽為神奇的利器。

精密測量

精密測量是利用了激光單色性好、相干性強、方向性好的特點。相比於其他測距儀，激光測距具有探測距離遠，精度高，抗干擾，保密性好，體積小重量輕的優點。測距儀發出光脈衝，經被測目標反射後，光脈衝回到接收系統，測量發射與接收時間間隔。

激光測繪

激光同時具有高亮度和高相干性，這使得光的多普勒效應能夠在測速方面得到應用。激光雷達是以發射激光束探測目標的位置、速度等特徵量的雷達系統。從工作原理上講，激光雷達與微波雷達沒有根本的區別：向目標發射探測信號（激光束），然後將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發射信號進行比較，作適當處理後，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別，它在軍事領域發揮著重要的作用，也成為環境監測的有力武器。

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激光雷達

此外，引力波的探測也是利用激光干涉測量方法，進行中低頻波段引力波的直接探測，觀測雙黑洞併合和極大質量比天體併合時產生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。

激光引力波探測

結語

愛因斯坦當年認為，自己預言的引力波太過微弱而無法探測，這是基於當時技術條件合乎情理的判斷。技術的發展需要時間，而這100 年技術的發展已經遠超當年最聰明之人的想像了。愛因斯坦提出了受激發射理論，但是他也無法預測基於此理論發明、發展的激光技術會如此重要，在科研、國防、工業、醫療、互聯網等社會生活的方方面面得到廣泛應用，也不會想到，基於自己理論發明的激光技術會在探測基於自己理論預言的引力波中發揮關鍵作用。

基礎科學和技術的發展有各自內在的邏輯，但更重要的它們確實互相促進。首次探測到引力波可以說主要是一項技術的突破，從此人類有了「傾聽」宇宙的能力。已有的、在建的、未來的地面、地下、空間激光干涉引力波探測器組成龐大的「助聽器網路」，使得人類能夠分辨宇宙深處波瀾壯闊的樂章。探測到GW150914 引力波信號，只是一個新時代的開端。可以預見，隨著激光干涉引力波探測器靈敏度的進一步提高，引力波天文學將極大地提升人類對宇宙的了解，並有可能帶來系列基礎科學新發現。

更為有趣的，有人把首次探測到引力波與1887 年赫茲成功探測到電磁波聯繫起來。引力和電磁力都是長程力，可以遠距離傳播和探測。當年，赫茲在論文的結尾寫道，「我不認為我發現的無線電磁波會有任何實際用途」。但是，我們都已經了解，現代生活已經離不開電磁波了。愛因斯坦當年也不可能認為引力波會有實際用途。引力波將首先被應用到天文和宇宙學的研究上，它有沒有可能像電磁波一樣應用於通信，應用於星系尺度的長距離聯絡?雖然目前看起來匪夷所思，只可能存在於科幻小說中，但技術的發展常給人驚喜，誰知道未來會怎樣呢。

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