激光技术的应用现状与未来发展

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”Light amplification by stimulated emission of radiation”每個词的首字母组成的。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

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1 000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。

2.激光的应用

2.1 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、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纖激光器等等。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

[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].Traub M，Bock M，Hoffmann H D，et al.Novel high peak current purlsed diode laser sources for direct material processing[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）

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