為什么說激光的產(chǎn)生是劃時(shí)代的成就論文

激光的發(fā)明是20世紀(jì)中期一項(xiàng)劃時(shí)代的成就，對(duì)人類社會(huì)文明產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。激光的出現(xiàn)不但引起了光學(xué)革命性的發(fā)展，沖擊了整個(gè)物理學(xué)，并且對(duì)其它學(xué)科如化學(xué)、生物學(xué)和技術(shù)及應(yīng)用學(xué)科如電機(jī)工程學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)等都產(chǎn)生了巨大的影響。隨著激光技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，激光已成為科學(xué)探測(cè)和現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中極為重要的工具之一。

一、激光的發(fā)明和發(fā)展

所謂激光就是受激發(fā)射的光，是被其它輻射感應(yīng)而激發(fā)的輻射。激光的英文名詞為

Laser，是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的詞首字母構(gòu)成的新詞，其原意是受激輻射光放大器。早期在我國曾被翻譯成“萊塞”、“雷射”、“光激射器”、“光受激輻射放大器”等。直到1964年，由錢學(xué)森院士提議取名為“激光”，它既反映了“受激輻射”的科學(xué)內(nèi)涵，又表明了它是一種很強(qiáng)烈的新光源。錢學(xué)森院士的提議得到國內(nèi)學(xué)術(shù)界的一致認(rèn)同，在中國大陸激光這個(gè)新名詞就一直沿用至今。

現(xiàn)在我們知道，物質(zhì)的發(fā)光過程有兩種：一種稱為自發(fā)輻射，另一種稱為受激輻射。自

發(fā)輻射是在沒有外來光子情況下，原子自發(fā)地、獨(dú)立地從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1的躍遷。自發(fā)輻射是隨機(jī)過程，躍遷時(shí)發(fā)出的光在相位、偏振態(tài)和傳播方向上都彼此無關(guān)。受激輻射是處于高能級(jí)E2的原子，在受到能量為hv=E2-E1的外來光子的激勵(lì)時(shí)，躍遷到低能級(jí)E1，并輻射一個(gè)與外來光子的頻率、相位、振動(dòng)方向和傳播方向都相同的光子。1916年，愛因斯坦根據(jù)物質(zhì)發(fā)光和吸收必須符合能量守恒的基本原則，預(yù)言除了大量的自發(fā)輻射以外還必然存在著少量的受激輻射，并且這種受激輻射還激光技術(shù)的發(fā)展歷史會(huì)進(jìn)一步引發(fā)同類的受激輻射，因此可以獲得受激輻射被增強(qiáng)的效應(yīng)。愛因斯坦的論斷為激光的發(fā)明提供了理論基礎(chǔ)。

直到1960年5月，在休斯公司研究實(shí)驗(yàn)室工作的美國科學(xué)家梅曼(Theodore Maiman)用

紅寶石棒作為激光工作介質(zhì)，在棒兩端鍍銀反射層構(gòu)成諧振腔，用高強(qiáng)閃光燈作光泵，激勵(lì)紅寶石晶體內(nèi)的鉻原子，制造出了世界上第一臺(tái)可以工作的紅寶石激光器。此后，歷經(jīng)了30多年的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)由早期的同質(zhì)結(jié)，經(jīng)歷了單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱、應(yīng)變量子阱，直到今天正在發(fā)展的自組裝量子點(diǎn)和量子級(jí)聯(lián)的單極性結(jié)構(gòu)。目前半導(dǎo)體激光器的可靠性壽命已達(dá)數(shù)百萬小時(shí)，波長覆蓋從紅外到近紫外波段，連續(xù)輸出功率從若干毫瓦到百瓦水平。半導(dǎo)體激光器發(fā)展到今天在諸多領(lǐng)域中，如在光纖通信、光盤存儲(chǔ)、全色顯示、激光傳感、激光印刷、激光加工、激光醫(yī)療，以及軍事領(lǐng)域中的激光武器、測(cè)距、制導(dǎo)等方

面得到廣泛應(yīng)用。可以說，半導(dǎo)體激光器發(fā)展速度之快，應(yīng)用范圍之廣，發(fā)展?jié)摿χ笫悄?/p>

前任何其他激光器所無法比擬的。

激光技術(shù)發(fā)展到今天，已形成了一個(gè)產(chǎn)業(yè)。美國、日本、德國三個(gè)國家激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

代表了當(dāng)今世界激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。美國在500瓦以下的中、小功率激光器方面占優(yōu)勢(shì)，

德國在500瓦以上用于材料加工的高功率激光器方面占優(yōu)勢(shì)，而小功率的半導(dǎo)體激光器則是

日本占優(yōu)勢(shì)，占世界市場(chǎng)的70%以上。這表明各個(gè)國家的發(fā)展都與他們自己的工業(yè)基礎(chǔ)有

關(guān)。美國由于在基礎(chǔ)理論研究和工業(yè)發(fā)展的支持體系方面的強(qiáng)勢(shì)，使它在世界激光產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)

品研發(fā)方面走在世界的前列。而日本在以制造技術(shù)為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)方面的優(yōu)勢(shì)，使它在

半導(dǎo)體激光器世界市場(chǎng)上占有較大的份額。

二、激光的特點(diǎn)

1.單色性純：光的顏色很純?？梢姽獾募す庾V線寬度可以小到千萬分之一埃。白熾燈通

過 1 毫微米的干涉濾光片，透過光的波長為600毫微米，譜線寬度為 106 兆赫。而 He- Ne

激光器發(fā)射激光的波長為 633 毫微米。普通光束的光子簡(jiǎn)并度不大于 10- 3，相當(dāng)于“噪

音束”，不可能傳遞大容量信息，只有高簡(jiǎn)并度的激光才具有可能實(shí)現(xiàn)真正光通訊的單色性。

2.亮度高：從幾何光學(xué)觀點(diǎn)看，高光子簡(jiǎn)并度就是高亮度。激光焦點(diǎn)處的輻射亮度能比

普通光高 108~1010 倍。2 毫瓦 He- Ne 激光器發(fā)射光束直徑能過 2 毫米，發(fā)散角 3*10- 4

弧度，其輻射亮度達(dá)到2*105W/cm2.sr。這束激光相當(dāng)白熾燈的 3 千倍，太陽光的 100 倍。

3.方向性強(qiáng)，發(fā)散角?。杭す獾陌l(fā)散角為毫弧度量級(jí)，比普通光及微波的發(fā)散角要小2 ~3

個(gè)數(shù)量級(jí)。月球到地面的距離遠(yuǎn)達(dá)384，000公里，如果從地球上發(fā)射一束激光到月球表面

上，光斑直徑不超過 2，000 米，如果用探照燈，其光斑直徑就要有幾千公里。

4.相干性好：從物理學(xué)觀點(diǎn)看，高光子簡(jiǎn)并度就意味著相干性好。相干性有兩種，即時(shí)

間相干性和空間相干性。時(shí)間相干性是指不同時(shí)刻由同一點(diǎn)發(fā)出的光波之間的相干性?？臻g

相干性是指由空間不同點(diǎn)發(fā)出的光波的相干性。激光在較長的時(shí)間內(nèi)保持恒定相位差，單色

性又純，所以干涉效應(yīng)十分明顯。

三、激光技術(shù)的發(fā)展

激光從研究到實(shí)際應(yīng)用可以分為五個(gè)階段。

1.探索階段：實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的揭示過程。

2.萌芽階段：探討激光的效應(yīng)，為制定有關(guān)研究方向提供依據(jù)。

3.基礎(chǔ)階段：為系統(tǒng)的闡述和估價(jià)激光的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

4.應(yīng)用階段：擴(kuò)大品種，在一些方面付之實(shí)際應(yīng)用。

5.跟上科學(xué)技術(shù)的最新發(fā)展，推廣應(yīng)用。

四十幾年來取得了許多重大的成績(jī)。同時(shí)，激光器的發(fā)展，現(xiàn)在正在高潮，其發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.從實(shí)用角度看，主要發(fā)展小型化、實(shí)用化、高效率和價(jià)格便宜的激光器件。

2. 從波長角度看，激光器正向長波長和短波長兩面三刀端發(fā)展，如遠(yuǎn)紅外激光器、紫外激光器和更短波長的 X、γ激光器。

3.從輸出功率來看，大功率的激光器近年來不斷出現(xiàn)，其中，釹玻璃激光器的最大脈沖峰值輸出功率已達(dá) 1013 瓦。氣體 CO2 激光器的連續(xù)輸出功率已有 400 千瓦的報(bào)導(dǎo)。

4.從新類型激光器的角度看，首先是準(zhǔn)分子激光器發(fā)展很快，這種激光器的波長范圍很寬，功率可以很大。核激勵(lì)激光器是一種利用核能來激勵(lì)工作物質(zhì)從而產(chǎn)生激光的新型激光器，核激勵(lì)激光器輸出的巨大能量可能用于激光武器、核聚變、遠(yuǎn)距離能量傳輸?shù)取?/p>

四、激光的應(yīng)用

由于激光具在一系列優(yōu)異的特性，因而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療、天文、地理、科研尖端等各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。由于它良好的方向性，使它在準(zhǔn)直和導(dǎo)向方面已獲普及應(yīng)用：由于它的高亮度，使它在各種材料的加工中顯示了巨大的威力，使在地球上制造小太陽似的熱核聚變有了希望；由于安的相干性好，使全息照相術(shù)得到了實(shí)際的應(yīng)用，使長度計(jì)量和干涉計(jì)量提高了精度。由于它的單色性純，開創(chuàng)了激光光譜學(xué)的新領(lǐng)域，使定向和催化化學(xué)得到了突飛猛進(jìn)。

1 激光技術(shù)在運(yùn)輸機(jī)械制造中的先進(jìn)性

1.1 汽車工業(yè)

以汽車工業(yè)為例，在樣車的開發(fā)和小批量試生產(chǎn)時(shí)，用高度柔性的激光三維切割取代沖孔和修邊模具，不僅可以節(jié)省大量模具，同時(shí)極大地縮短了新車型的開發(fā)周期。傳統(tǒng)方法研制開發(fā)一代新車一般需要 5～7 年的時(shí)間，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造技術(shù)后，新車型的開發(fā)周期縮短到了 3 年，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用激光技術(shù)，新車型的開發(fā)周期縮短到7 個(gè)月。由于激光三維切割取代模具的優(yōu)勢(shì)顯著，德國大眾汽車公司早在 1986 年就采用了激光柔性機(jī)器手切割系統(tǒng)，逐步發(fā)展成為汽車制造業(yè)巨頭。在汽車零部件制造方面，激光焊接的變速器齒輪替代了花鍵聯(lián)接的齒輪，極大地減少了零部件的數(shù)量，提高了變速器的整體質(zhì)量與性能，降低了變速器齒輪的制造成本；根據(jù)車身不同部位的承重和使用要求，利用激光焊接將不同材質(zhì)、不同厚度和不同表面狀態(tài)的坯板拼焊在一起，然后一次壓制成形制造車身部件，極大地簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝流程，節(jié)省了大量材料，顯著降低了車身重量。汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的歐、

美等國家和地區(qū)都建立了生產(chǎn)激光拼焊板的專業(yè)公司。在車身總裝上，激光焊接取代了電阻點(diǎn)焊工藝使得汽車設(shè)計(jì)師可以自由地發(fā)揮其想象力和創(chuàng)造性，設(shè)計(jì)出獨(dú)特風(fēng)格的車型。同時(shí)激光焊接較之電阻點(diǎn)焊具有更高的效率、更優(yōu)異的性能、更小的材料消耗等優(yōu)勢(shì)。

1.2 航空工業(yè)

空中客車公司擁有 35 年設(shè)計(jì)和建造飛機(jī)的歷史，空客 A380 將整體制造工藝向前推進(jìn)了一大步，是歐洲空中客車公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的運(yùn)輸力最大的民用飛機(jī)，全機(jī)最高載客量為 840 人，面積多出 40%以上，機(jī)身重量減輕 18%，成本下降 21.4%～24.3%。空客 A380 之所以能大大減輕飛機(jī)重量，減少油耗排放，降低營運(yùn)成本的主要原因就是采用激光焊接技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼的內(nèi)隔板與加強(qiáng)筋的全部連接，取代原有的鉚接工藝，被德國宇航界稱為航空制造業(yè)中的一大技術(shù)革命。

2 鋼鐵行業(yè)中的綠色短流程制造技術(shù)

高速線材軋機(jī)被稱為鋼鐵行業(yè)的“印鈔機(jī)”。高速線材行業(yè)消耗量最大、價(jià)格昂貴的關(guān)鍵部件是硬質(zhì)合金軋輥(輥環(huán))。對(duì)于高速線材來說，線材的軋制溫度為 900～1 100 ℃，最終軋制速度為 50～130 m/s，輥環(huán)工作時(shí)受到每秒高達(dá) 300 次的交變外應(yīng)力和熱應(yīng)力，輥環(huán)常出現(xiàn)熱疲勞裂紋(表面龜裂)且磨損嚴(yán)重。高速線材輥環(huán)在表面磨損量達(dá)到 6～10 mm 左右時(shí)就整體報(bào)廢，造成了大量昂貴硬質(zhì)合金材料的浪費(fèi)，且鎢的回收污染比較嚴(yán)重，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、耗能源。激光寬帶熔覆制造高速線材輥環(huán)是采用同步送粉的方法，通過光束整形，得到長條形狀的激光束(寬度小于 1 mm，長度在 7～30 mm 可以調(diào)整)，配置與激光束相應(yīng)寬度的粉末束流，單道熔覆合金層寬度也在 7～30 mm。該技術(shù)效率高，可以在普通合金鋼制造的輥環(huán)基體外表面熔覆性能優(yōu)異且與基體結(jié)合性能好的硬質(zhì)合金材料(成形厚度達(dá)到10 mm 以上，符合輥環(huán)的使用厚度)，獲得強(qiáng)韌性、耐磨性、抗熱疲勞性較高的梯度合金材料，大大降低激光熔覆成形過程的內(nèi)應(yīng)力，降低材料開裂的傾向。激光熔覆能夠?qū)崿F(xiàn)涂層與基體有效的冶金結(jié)合，在過渡區(qū)獲得梯度材料，并能實(shí)現(xiàn)很高厚度的熔覆成形。材料韌性和強(qiáng)度的提高，增強(qiáng)了材料耐熱疲勞、抗沖擊性能，可減小輥環(huán)表面龜裂現(xiàn)象及涂層脫落現(xiàn)象。成功解決了粉末材料配方、熔覆裂紋的研究及控制、軋輥熔覆及應(yīng)力狀態(tài)分析等多項(xiàng)工藝、技術(shù)和機(jī)理方面的問題。

3 新型激光器

激光制造系統(tǒng)由激光源、傳輸與聚焦系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)與控制系統(tǒng)、傳感與檢測(cè)系統(tǒng)的組成，其核心是光的產(chǎn)生、傳播和控制。其中，激光的能量或功率、光束質(zhì)量以及對(duì)光控制的穩(wěn)定性是衡量激光制造系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。激光能量或功率表征激光制造系統(tǒng)加工能力的可能性；光束

質(zhì)量直接限定了可能實(shí)現(xiàn)的加工方法、可能傳輸?shù)木嚯x、可能獲得的焦斑尺寸，以及最終可以獲得加工質(zhì)量；對(duì)光的控制是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的條件，這三者是激光制造系統(tǒng)的整體要求，激光這把“刀”的質(zhì)量，既是工業(yè)應(yīng)用的“金鋼鉆”，也是激光制造系統(tǒng)發(fā)展、進(jìn)步的重要標(biāo)志。這正是激光制造系統(tǒng)與通信激光、醫(yī)療激光和軍用激光系統(tǒng)的明顯區(qū)別。

大功率激光器是激光制造系統(tǒng)中核心組成部分之一。隨著激光制造技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，為了滿足不同的應(yīng)用需要，大功率激光器也在不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種新型的大功率激光器，同樣，大功率激光器的發(fā)展反過來又刺激著激光制造技術(shù)的不斷改進(jìn)和深入。

半導(dǎo)體激光器最早被用作光纖通信中的光(信號(hào))發(fā)射器、條形碼閱讀器和光盤刻錄器等方面。如今，半導(dǎo)體激光器不僅傳送比特信息也能傳送光能量，人們正在逐步認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體激光器在材料加工領(lǐng)域、印刷和圖表技術(shù)領(lǐng)域、顯示及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值，直接用于材料加工的大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展越來越受到人們的關(guān)注。與大功率 CO2激光器和固體激光器相比，大功率半導(dǎo)體激光器具有體積小、波長短、效率高、與光纖的良好耦合、易于調(diào)制等優(yōu)良特性。大功率半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)改變了激光器的基本結(jié)構(gòu)，因?yàn)榘雽?dǎo)體裝置經(jīng)成為新一代激光系統(tǒng)的關(guān)鍵，并在應(yīng)用領(lǐng)域與氣體激光器、燈泵浦固體激光器競(jìng)爭(zhēng)。目前，各種大功率半導(dǎo)體激光器不斷被引入到工業(yè)制造中，因?yàn)樗w積更緊湊、容易水冷、光電轉(zhuǎn)化效率超過 50%，這幾乎超出現(xiàn)在所能提供的其他類型激光器光電轉(zhuǎn)換效率的 5 倍，而且在價(jià)格方面也變得越來越吸引人，因此引起許多工業(yè)國家的重視，并都已開展了大功率半導(dǎo)體激光器的研發(fā)計(jì)劃，研究如何提高激光器的輸出功率、亮度、壽命，以及如何改善半導(dǎo)體激光器輸出的光束質(zhì)量，提供可靠的高亮度半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)和裝配結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)一種全新的全固態(tài)激光系統(tǒng)。

4 激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)方面，激光同樣屬于高端技術(shù)。激光醫(yī)學(xué)在臨床上的應(yīng)用主要分為三大部分，包括：

（1）激光在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用，主要是通過激光與人體器官組織、細(xì)胞和生物分子的相互作用來研究激光的生物效應(yīng)。

（2）激光診斷，是以激光作為信息載體，利用激光單色性好的特點(diǎn)，對(duì)組織病理形態(tài)、病理情況下的功能及找出某些致病因素等方面進(jìn)行光譜分析。

（3）激光治療，是以激光作為能量載體，利用激光對(duì)組織的生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行治療，多年來，激光技術(shù)已成為臨床治療的有效手段，也成為發(fā)展醫(yī)學(xué)診斷的關(guān)鍵技術(shù)。激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最多人接觸過的就是激光手術(shù)，激光手術(shù)就是利用激光能產(chǎn)生高能量、聚焦精確的單色光，具有一定的穿透力，作用于人體組織時(shí)能在局部產(chǎn)生高熱量，激光手術(shù)就是利用激

光的這一特點(diǎn)，去除或破壞目標(biāo)組織，達(dá)到治療的目的，主要包括激光切割和激光換膚，這避免了以前人為出現(xiàn)的誤差或者誤操，因?yàn)榧す饪梢灾苯舆B接計(jì)算機(jī)并在計(jì)算機(jī)全面顯示出當(dāng)前狀況，最大限度減少了負(fù)面的影響。激光熒光光譜診斷腫瘤的研究是人們非常感興趣的課題，光譜檢測(cè)法靈敏度很高，如果能找到腫瘤細(xì)胞的特征熒光峰確診早期癌細(xì)胞的存在，對(duì)腫瘤的早期診斷和治療將起巨大作用。但至今，癌細(xì)胞的假陰性無法排除，而且比例還很高，在臨床上無法單獨(dú)作為癌細(xì)胞檢測(cè)的依據(jù)，關(guān)鍵的原因是未找到癌細(xì)胞真正的特征熒光蜂，一般現(xiàn)在人們所謂的特征熒光峰，只是卟啉分子的熒光峰，卟啉分子在腫瘤中多一些，相對(duì)熒光強(qiáng)度大一些，但在量上很難確定癌與非癌細(xì)胞的界限，這就是產(chǎn)生假陰性與假陽性的原因。因此，客觀科學(xué)地判斷激光熒光光譜對(duì)腫瘤的診斷標(biāo)準(zhǔn)，是十分必要的。

5 激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

中國是個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在中國起碼在當(dāng)今時(shí)代的中國，還是大部分人的主要經(jīng)濟(jì)來源，中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展能否取得更大的進(jìn)展關(guān)乎著更多人的利益。激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀主要有：誘變育種、提高種子活力、激光平地整地、防治病害蟲、激光處理種子誘變作用與一般射線（如 Ｘ 射線、紫外線等）類似，是通過染色體結(jié)構(gòu)畸變和遺傳物質(zhì)分子改變，最后導(dǎo)致其性狀和特性發(fā)生變異，再通過細(xì)胞分裂遺傳給后代，經(jīng)過人為選擇和培育成為新品種。利用 He-Ne 激光輻照花粉后進(jìn)行屬間雜交，獲得新品種，提高雜種種子的出苗率和成活率，且在 L1 代植株中均獲得染色體自然加倍的雙二倍體，即小黑麥種子，現(xiàn)已獲得 L17L8 代的小黑麥后代材料和穩(wěn)定株系。激光誘變育種為小麥屬間雜交育種工作開辟了一條新的途徑。

激光平地整地技術(shù)是利用激光獨(dú)有特性，將激光束作為控制手段，來控制液壓平地機(jī)具的升降高度。激光平地設(shè)備一般由激光發(fā)射器、接收器、控制器和平地機(jī)具組成。激光發(fā)射器發(fā)射一束極細(xì)且能旋轉(zhuǎn)360°的激光束，提供恒定平地基準(zhǔn)，裝有接收器的裝置放在靠近平地機(jī)具測(cè)量標(biāo)桿上，從激光束到平地刀口之間的固定距離即為標(biāo)高測(cè)量基準(zhǔn)，接收器檢測(cè)到激光信號(hào)后不間斷地給控制器發(fā)送坡度信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)具控制。