激光

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激光的最初的中文名叫做「鐳XX」、「萊塞」,是它的英文名稱LASER的音譯,是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個字母組成的縮寫詞。意思是"通過受激發XX光擴大"。激光的英文全名已經完全表達了製造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學家錢學森建議將「光受激發XX」改稱「激光」。激光應用很廣泛,主要有激光打標、光纖通信、激光光譜、激光測距、激光雷達、激光切割、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器等等。

英文釋義

紅綠藍三色可見纖綠激光

  基本釋義   laser   LASER   laserlight   網路釋義   laser(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)   中文: 大陸地區:激光,港澳地區:激光鐳XX,台灣地區:鐳XX | 阿拉伯語: ليزر | 德語: Laser| 英語: Laser| 西班牙語: Láser | 法語: Laser| 日語: レーザー | 韓語: 레이저 | 俄語: Лазер |

簡介

  激光是20世紀以來,繼原子能、電腦、半導體之後,人類的又一重大發明,被稱為「最快的刀」、

鐳捷激光燈管

「最準的尺」、「最亮的光」和「奇異的激光」。它的亮度約為太陽光的100億倍。   激光的原理早在 1916 年已被著名的美國物理學家愛因斯坦發現,但直到 1960 年激光才被首次成功製造。激光是在有理論準備和生產實踐迫切需要的背景下應運而生的,它一問世,就獲得了異乎尋常的飛快發展,激光的發展不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生,而且導致整個一門新興產業的出現。激光可使人們有效地利用前所未有的先進方法和手段,去獲得空前的效益和成果,從而促進了生產力的發展。

起源

  激光的理論基礎起源於大物理學家『愛因斯坦』,1917年愛因斯坦提出了一套全新的技術理論『受激輻XX』。這一理論是說在組成物質的原子中,有不同數量的粒子(電子)分佈在不同的能級上,在高能級上的粒子受到某種光子的激發,會從高能級跳到(躍遷)到低能級上,這時將會輻XX出與激發它的光相同性質的光,而且在某種狀態下,能出現一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫做「受激輻XX的光放大」,簡稱激光。   1958年,美國科學家肖洛(Schawlow)和湯斯(Townes)發現了一種神奇的現象:當他們將氖光燈泡所發XX的光照在一種稀土晶體上時,晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。根據這一現象,他們提出了"激光原理",即物質在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發時,都會產生這種不發散的強光--激光。他們為此發表了重要論文,並獲得1964年的諾貝爾物理學獎。   1960年5月15日,美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光,這是人類有史以來獲得的第一束激光,梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領域的科學家。   1960年7月7日,梅曼宣布世界上第一台激光器由誕生,梅曼的方案是,利用一個高強閃光燈管,來刺激紅寶石。由於紅寶石其實在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉,所以當紅寶石受到刺激時,就會發出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鑽一個孔,使紅光可以從這個孔溢出,從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱,當它XX向某一點時,可使其達到比太陽表面還高的溫度。   前蘇聯科學家尼古拉·巴索夫于1960年發明了半導體激光器。半導體激光器的結構通常由p層、n層和形成雙異質結的有源層構成。其特點是:尺寸小、p合效率高、響應速度快、波長和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調製、相干性好。   一、物質與光相互作用的規律   光與物質的相互作用,實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻XX光子,同時改變自身運動狀況的表現。   微觀粒子都具有特定的一套能級(通常這些能級是分立的)。任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應

物質與光相互作用的規律

狀態(或者簡單地表述為處在某一個能級上)。與光子相互作用時,粒子從一個能級躍遷到另一個能級,並相應地吸收或輻XX光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E,頻率為ν=△E/h(h為普朗克常量)。

光子-圖冊(2張)   1. 受激吸收(簡稱吸收)   處於較低能級的粒子在受到外界的激發(即與其他的粒子發生了有能量交換的相互作用,如與光子發生非彈性碰撞),吸收了能量時,躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。   2. 自發輻XX   粒子受到激發而XX的激發態,不是粒子的穩定狀態,如存在著可以接納粒子的較低能級,即使沒有外界作用,粒子也有一定的概率,自發地從高能級激發態(E2)向低能級基態(E1)躍遷,同時輻XX出能量為(E2-E1)的光子,光子頻率 ν=(E2-E1)/h。這種輻XX過程稱為自發輻XX。眾多原子以自發輻XX發出的光,不具有相位、偏振態、傳播方向上的一致,是物理上所說的非相干光。   3. 受激輻XX、激光   1917年愛因斯坦從理論上指出:除自發輻XX外,處於高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當頻率為 ν=(E2-E1)/h的光子入XX時,也會引發粒子以一定的概率,迅速地從能級E2躍遷到能級E1,同時輻XX一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子,這個過程稱為受激輻XX。   可以設想,如果大量原子處在高能級E2上,當有一個頻率 ν=(E2-E1)/h的光子入XX,從而激勵E2上的原子產生受激輻XX,得到兩個特徵完全相同的光子,這兩個光子再激勵E2能級上原子,又使其產生受激輻XX,可得到四個特徵相同的光子,這意味著原來的光信號被放大了。這種在受激輻XX過程中產生並被放大的光就是激光。   二、粒子數反轉   愛因斯坦1917提出受激輻XX,激光器卻在1960年問世,相隔43年,為什麼?主要原因是,普通光源中粒子產生受激輻XX的概率極小。當頻率一定的光XX入工作物質時,受激輻XX和受激吸收兩過程同時存在,受激輻XX使光子數增加,受激吸收卻使光子數減小。物質處於熱平衡態時,粒子在各能級上的分佈,遵循平衡態下粒子的統

激光

計分佈律。按統計分佈規律,處在較低能級E1的粒子數必大於處在較高能級E2的粒子數。這樣光穿過工作物質時,光的能量只會減弱不會加強。要想使受激輻XX佔優勢,必須使處在高能級E2的粒子數大於處在低能級E1的粒子數。這種分佈正好與平衡態時的粒子分佈相反,稱為粒子數反轉分佈,簡稱粒子數反轉。如何從技術上實現粒子數反轉是產生激光的必要條件。   理論研究表明,任何工作物質,在適當的激勵條件下,可在粒子體系的特定高低能級間實現粒子數反轉。若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1,E2和E1能級上的布居數密度為N2和N1,在兩能級間存在著自發發XX躍遷、受激發XX躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發XX躍遷所產生的受激發XX光,與入XX光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方

向。因此,大量粒子在同一相干輻XX場激發下產生的受激發XX光是相干的。受激發XX躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入XX輻XX場的單色能量密度。當兩個能級的統計權重相等時,兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2<N1,所以自發吸收躍遷佔優勢,光通過物質時通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵可以破壞熱平衡而使N2>N1,這種狀態稱為粒子數反轉狀態。在這種情況下,受激發XX躍遷佔優勢。光通過一段長為l的處於粒子數反轉狀態的激光工作物質(激活物質)后,光強XXeGl倍。G為正比于(N2-N1)的係數,稱為增益係數,其大小還與激光工作物質的性質和光波頻率有關。一段激活物質就是一個激光放大器。

如果,把一段激活物質放在兩個互相平行的反XX鏡(其中至少有一個是部分透XX的)構成的光學諧振腔中(圖1),處於高能級的粒子會產生各種方向的自發發XX。其中,非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外:軸向傳播的光波卻能在腔內往返傳播,當它在激光物質中傳播時,光強不斷增長。如果諧振腔內單程小信號增益G0l大於單程損耗δ(G0l是小信號增益係數),則可產生自激振蕩。原子的運動狀態可以分為不同的能級,當原子從高能級向低能級躍遷時,會釋放出相應能量的光子(所謂自發輻XX)。同樣的,當一個光子入XX到一個能級系統併為之吸收的話,會導致原子從低能級向高能級躍遷(所謂受激吸收);然後,部分躍遷到高能級的原子又會躍遷到低能級並釋放出光子(所謂受激輻XX)。這些運動不是孤立的,而往往是同時進行的。當我們創造一種條件,譬如採用適當的媒質、共振腔、足夠的外部電場,受激輻XX得到放大從而比受激吸收要多,那麼總體而言,就會有光子XX出,從而產生激光。   激光50年發展時間   1917年:愛因斯坦提出「受激發XX」理論,一個光子使得受激原子發出一個相同的光子。   1953年:美國物理學家Charles Townes用微波實現了激光器的前身:微波受激發XX放大(英文首字母縮寫maser)   1957年:Townes的博士生Gordon Gould創造了「laser」這個單詞,從理論上指出可以用光激發原子,產生一束相干光束,之後人們為其申請了專利,相關法律糾紛維持了近30年。   1960年:美國加州Hughes 實驗室的Theodore Maiman實現了第一束激光   1961年:激光首次在外科手術中用於殺滅視網膜腫瘤。   1962年:發明半導體二極體激光器,這是今天小型商用激光器的支柱。   1969年:激光用於遙感勘測,激光被XX向阿波羅11號放在月球表面的反XX器,測得的地月距離誤差在幾米範圍內。   1971年:激光XX藝術世界,用於舞台光影效果,以及激光全息攝像。英國籍匈牙利裔物理學家Dennis Gabor憑借對全息攝像的研究獲得諾貝爾獎。   1974年:第一個超市條形碼掃描器出現   1975年:IBM投放第一台商用激光印表機   1978年:飛利浦製造出第一台激光碟(LD)播放機,不過價格很高   1982年:第一台緊湊碟片(CD)播放機出現,第一部CD盤是美國歌手Billy Joel在1978年的專輯52nd Street。   1983年:里根總統發表了「星球大戰」的演講,描繪了基於太空的激光武器   1988年:北美和歐洲間架設了第一根光纖,用光脈衝來傳輸數據。   1990年:激光用於製造業,包括集成電路和汽車製造   1991年:第一次用激光治療近視,海灣戰爭中第一次用激光制導導彈。   1996年:東芝推出數字多用途光碟(DVD)播放器   2008年:法國神經外科學家使用廣導纖維激光和微創手術技術治療了腦瘤   2010年:美國國家核安全管理局(NNSA)表示,通過使用192束激光來束縛核聚變的反應原料、氫的同位素氘(質量數2)和氚(質量數3),解決了核聚變的一個關鍵困難。

特點

(一)定向發光

  普通光源是向四面八方發光。要讓發XX的光朝一個方向傳播,需要給光源裝上一定的聚光裝置,如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡,使輻XX光彙集起來向一個方向XX出。激光器發XX的激光,天生就是朝一個方向XX出,光束的發散度極小,大約只有0.001弧度,接近平行。1962年,人類第一次使用激光照XX月球,地球離月球的距離約38萬公里,但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好,看似平行的探照燈光柱XX向月球,按照其光斑直徑將覆蓋整個月球。

(二)亮度極高

  在激光發明前,人工光源中高壓脈衝氙燈的亮度最高,與太陽的亮度不相上下,而紅寶石激光器的激光亮度,能超過氙燈的幾百億倍。因為激光的亮度極高,所以能夠照亮遠距離的物體。紅寶石激光器發XX的光束在月球上產生的照度約為0.02勒克斯(光照度的單位),顏色鮮紅,激光光斑肉眼可見。若用功率最強的探照燈照XX月球,產生的照度只有約一萬億分之一勒克斯,人眼根本無法察覺。激光亮度極高的主要原因是定向發光。大量光子集中在一個極小的空間範圍XX出,能量密度自然極高。   激光的亮度與陽光之間的比值是百萬級的,而且它是人類創造的。   激光的顏色   激光的顏色取決於激光的波長,而波長取決於發出激光的活性物質,即被刺激后能產生激光的那種材料。刺激紅寶石就能產生深玫瑰色的激光束,它應用於醫學領域,比如用於皮膚病的治療和外科手術。公認最貴重的氣體之一的氬氣能夠產生藍綠色的激光束,它有諸多用途,如激光印刷術,在顯微眼科手術中也是不可缺少的。半導體產生的激光能發出紅外光,因此我們的眼睛看不見,但它的能量恰好能"解讀"激光唱片,並能用於光纖通訊。但有的激光器可調節輸出激光的波長。   激光分離技術   激光分離技術主要指激光切割技術和激光打孔技術。激光分離技術是將能量聚焦到微小的空間,可獲得105~1015W/cm2極高的輻照功率密度,利用這一高密度的能量進行非接觸、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照XX下,幾乎可以對任何材料實現激光切割和打孔。激光切割技術是一種擺脫傳統的機械切割、熱處理切割之類的全新切割法,具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產效率等特點。激光打孔方法作為在固體材料上加工孔方法之一,已成為一項擁有特定應用的加工技術,主要運用在航空、航天與微電子行業中。

(三)顏色極純

  光的顏色由光的波長(或頻率)決定。一定的波長對應一定的顏色。太陽輻XX出的可見光段的波長分佈範圍約在0.76微米至0.4微米之間,對應的顏色從紅色到紫色共7種顏色,所以太陽光談不上單色性。發XX單種顏色光的光源稱為單色光源,它發XX的光波波長單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源,只發XX某一種顏色的光。單色光源的光波波長雖然單一,但仍有一定的分佈範圍。如氖燈只發XX紅光,單色性很好,被譽為單色性之冠,波長分佈的範圍仍有0.00001納米,因此氖燈發出的紅光,若仔細辨認仍包含有幾十種紅色。由此可見,光輻XX的波長分佈區間越窄,單色性越好。   激光器輸出的光,波長分佈範圍非常窄,因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例,其光的波長分佈範圍可以窄到2×10^-9納米,是氪燈發XX的紅光波長分佈範圍的萬分之二。由此可見,激光器的單色性遠遠超過任何一種單色光源。

(四)能量密度極大

  光子的能量是用E=hv來計算的,其中h為普朗克常量,v為頻率。由此可知,頻率越高,能量越高。激光頻率範圍3.846×10^(14)Hz到7.895×10^(14)Hz。   電磁波譜可大致分為:   (1)無線電波——波長從幾千米到0.3米左右,一般的電視和無線電廣播的波段就是用這種波;   (2)微波——波長從0.3米到10^-3米,這些波多用在雷達或其它通訊系統;   (3)紅外線——波長從10^-3米到7.8×10^-7米;   (4)可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個波段。波長從780—380nm。光是原子或分子內的電子運動狀態改變時所發出的電磁波。由於它是我們能夠直接感受而察覺的電磁波極少的那一部分;   (5)紫外線——波長從3 ×10^-7米到6×10^-10米。這些波產生的原因和光波類似,常常在放電時發出。由於它的能量和一般化學反應所牽涉的能量大小相當,因此紫外光的化學效應最強;   (6)倫琴XX線—— 這部分電磁波譜,波長從2×10^-9米到6×10^-12米。倫琴XX線(XXX線)是電原子的內層電子由一個能態跳至另一個能態時或電子在原子核電場內減速時所發出的;   (7)伽馬XX線——是波長從10^-10~10^-14米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內發出來的,放XX性物質或原子核反應中常有這種輻XX伴隨著發出。γXX線的穿透力很強,對生物的破壞力很大。由此看來,激光能量並不算很大,但是它的能量密度很大(因為它的作用範圍很小,一般只有一個點),短時間里聚集起大量的能量,用做武器也就可以理解了。

其他特性

  激光有很多特性:首先,激光是單色的,或者說是單頻的。有一些激光器可以同時產生不同頻率的激光,但是這些激光是互相隔離的,使用時也是分開的。其次,激光是相干光。相干光的特徵是其所有的光波都是同步的,整束光就好像一個「波列」。再次,激光是高度集中的,也就是說它要走很長的一段距離才會出現分散或者收斂的現象。

傷害

  激光波長與眼睛傷害:在激光的傷害中,以機體中眼睛的傷害最為嚴重。波長在可見光和近紅外光的激光,眼屈光介質的吸收率較低,透XX率高,而屈光介質的聚焦能力(即聚光力)強。強度高的可見或近紅外光XX眼睛時可以透過人眼屈光介質,聚積光于視網膜上。此時視網膜上的激光能量密度及功率密度提高到幾千甚至幾萬倍,大量的光能在瞬間聚中於視網膜上,致視網膜的感光細胞層溫度迅速升高,以至使感光細胞凝固變性壞死而失去感光的作用。激光聚于感光細胞時產生過熱而引起的蛋白質凝固變性是不能可逆的損傷。一旦損傷以後就會造成眼睛的永久失明。   激光的波長不同對眼球作用的程度不同,其後果也不同。遠紅外激光對眼睛的損害主要以角膜為主,這是因為這類波長的激光幾乎全部被角膜吸收,所以角膜損傷最重,主要引起角膜炎結膜炎患者感到眼睛痛,異物樣刺激、怕光、流眼淚、眼球充血視力下降等。發生遠紅外光損傷時應遮住保護傷眼,防止感染髮生,對症處理。   紫外激光對眼的損傷主要是角膜和晶狀體,此波段的紫外激光幾乎全部被眼的晶狀體吸收,而中遠以角膜吸收為主,因而可致晶狀體及角膜混濁[1]

可見波長激光的警告標籤

  激光器通常都會標示有著安全等級編號的激光警示標籤:[2]   第1級 (Class I/1):通常是因為光束被完全的封閉在內,例如在CD播放器內。   第2級 (Class II/2):在正常使用狀況下是安全的,這類設備通常功率低於1mW,例如激光指示器。   第3 a/R級 (Class IIIa/3R):功率通常會達到5mW,注視這種光束幾秒鐘會對視網膜造成立即的傷害。   第3b/B級 (Class IIIb/3B):在暴露下會對眼睛造成立即的損傷。   第4級 (Class IV/4):激光會燒灼皮膚,即使散XX的激光光也會對眼睛和皮膚造成傷害。

中國的激光產業發展

  中國光學學會激光加工專業委員會副主任鄧鴻林先生談激光行業、企業的發展現狀和未來之路。

鄧鴻林

  作為我國工業激光風向標的大功率激光切割裝備,其市場令人振奮。2010年11月上海國際工業博覽會上,國內外20家廠商展出了30台大功率數控激光切割機,是歷年國內各種展會上展商與展品最多的一年。展品的亮點是:國產三維激光切割機、國產光纖激光切割機及進口激光與沖裁複合機。會上有6台(4台平面機,2台機器人)國產光纖激光切割機展示6mm以下金屬板的切割。   激光功率已不足以描述切割能力的大小,亮度(Brightness)才是。亮度的定義是「單位面積單位立體角的激光功率」。   對比CO2激光器、碟片激光器和光纖激光器,可以得出這樣的結論:直到5千瓦,以光纖激光的亮度最大,切割金屬板最快最厚的當屬光纖激光。但實際上切割厚板尚不如CO2激光,儘管碳鋼對近紅外的1.07摻鐿光纖激光的吸收率數倍于中紅外10.6的CO2激光,但10倍于光纖激光波長的CO2激光之切縫比光纖的寬得多(一般2mm),氧氣易於吹入。 這就是CO2激光46年來一直獨佔固體激光之鰲頭的緣由。

第一,國產激光切割機的量產與自主開發力度的加大,外國一線公司在華本土化的生產,縮小了二者的產品差距與價格差距。用戶對國產機的認同度不斷提高,其在2010年國內市場的占比高達80%。   第二,2010年我國千瓦以上大功率CO2激光切割機銷量達1000台,占全球市場的20%-25%。上海團結普瑞瑪、大族激光、武漢法利萊、奔騰楚天等一線廠商都有大幅的增長。最多一家竟佔了國內市場的30%。   市場興旺得力于擴大內需,但主要是這種加工手段的魅力,特別在鐵路鋼鐵、工程機械、汽車造船、航空航天和軍工等高端市場的旺盛需求。   明年市場難料,但可深信一點,今年大起,明年絕不會大落,作為製造大國的中國,保有量不會低於10000台。須知2000年前的10年我國的總量才280台。   第三,我國大功率激光切割裝備的產業鏈遠未形成,尚無自主知識產權的新型大功率激光器,無論激光器還是切割機的關鍵元部件都得依賴進口。價昂的電容切割頭及作為耗材的光學鏡片等的研發生產,迄今都無人問津。成不了國內配套,進軍海外市場不過是夢想。唯有待到國產整機批量出口之日,才是我國這一產業的形成之時。   第四,光纖激光是當前的熱門話題。ROFIN與TRUMPF分別收購NUFERN與SPI公司發展光纖激光已三年,今春上海慕尼黑激光展上,ROFIN展出了2KW光纖激光器,但全球高功率光纖激光器市場依然是IPG一統天下。繼上年SALVAGNINI與LASER PHOTONICS等公司展出用其的光纖激光器之切割機后,2010年11月在亞特蘭大的FABTECH 與漢諾威的EUROBLECH 展會上又推出愈來愈多的光纖激光切割機。欣喜的是一批海歸博士矢志回國創業,創建了武漢銳科光纖激光、西安炬光等公司,研發生產高功率光纖激光器與二極體激光泵源,相信有自主知識產權的4KW連續波光纖激光器不久將會呈現在國人面前。

現代激光器

超快激光器

  超快激光器太阿激光基於SESAM鎖模技術的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飛秒激光器開發的激光器。 Amberpico系列皮秒激光XX有超短脈寬度(小於15ps)、高單脈衝能量(最大單脈衝能量30mJ)、高重複頻率(1kHz以上)和值得信賴的優良輸出性能,

太阿激光機(6張)Amberfemto系列飛秒激光器脈衝寬度小於200fs,重複頻率1Hz—100kHz可選,具有優異的空間模式和卓越的功率穩定性。可以實現高效的二倍頻、三倍頻、甚至四倍頻光的輸出。波長範圍遍及紅外、綠光、紫外,波長最短可以達到266/263nm。二者是衛星測距、激光精細微加工、非線性光學、激光光譜學、生物醫學、強場光學、凝聚態物理學等科研領域強有力的研究工具。超快激光事業部致力於為客戶提供穩定的高性能超快激光器系統,其部門擁有一批在超快領域工作多年的研發人員,並且在電源、控制和製冷等方面研發實力強大,使國科激光有能力進一步為客戶提供更多定製和高性能的產品,更優質的服務,在填補國內空白的基礎上大力推廣潛力巨大的超快激光器應用市場,促進民族激光產業的振興。是基於SESAM鎖模技術的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飛秒激光器開發的激光器。

皮秒連續鎖模激光器

  皮秒連續鎖模激光器就是脈衝寬度壓縮到ps量級(10-12s) 的「超短」脈衝連續鎖模激光器。按照泵浦方式,可以分為燈泵浦皮秒連續鎖模激光器和半導體泵浦皮秒連續鎖模激光器;按照鎖模方式,可以分為半導體可飽和吸收體連續鎖模皮秒激光器和

染料連續鎖模皮秒鎖模激光器;按照激光媒質,可以分為固體皮秒連續鎖模激光器和光纖皮秒連續鎖模激光器等。 一般採用半導體可飽和吸收鏡作為鎖模器件,LD泵浦的皮秒連續鎖模激光器。所謂半導體可飽和吸收鏡,一般是採用外延法將半導體可飽和吸收體直接生長在半導體布拉格反XX鏡上,因此被叫做可飽和半導體布拉格反XX鏡(Saturable Bragg Reflector,簡稱SBR)或半導體可飽和吸收鏡(Semiconductor Saturable Absorber Mirror,簡稱SESAM)。所謂SESAM,它是一種將半導體可飽和吸收材料和反XX鏡結合在一起的新型器件,當激光入XX到可飽和吸收體表面時,下能級的粒子受到激發躍遷到上能級,當上能級的粒子數飽和后,吸收體便被漂白。半導體可飽和吸收體具有兩個特徵的馳豫時間:帶內馳豫時間和帶間馳豫時間。帶內馳豫時間很短,約為100-200fs;而帶間馳豫時間相對較長,約為幾皮秒到幾百皮秒。 在SESAM鎖模過程中,帶間馳豫時間提供了鎖模自啟動機制,帶內馳豫時間有效壓縮脈寬、維持鎖模穩定。

激光的應用

概覽

  激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工以及做為光源,識別物體等的一門技術,傳統應用最大的領域為激光加工技術。激光技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術,傳統上看,它的研究範圍一般可分為:   1.激光加工系統。包括激光器、導光系統、加工機床、控制系統及檢測系統。   2.激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微雕等各種加工工藝。   激光焊接:汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器,CO2激光器和半導體泵浦激光器。   激光切割:汽車行業、電腦、電氣機殼、木刀模業、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。   激光治療:可以用於手術開刀減輕痛苦,減少感染。   激光打標:在各種材料和幾乎所有行業均得到廣泛應用,目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。   激光打孔:激光打孔主要應用在航空航天、汽車製造、電子儀錶、化工等行業。激光打孔的迅速發展,主要體現在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國內目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產及鐘錶和儀錶的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業的生產中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主,也有一些准分子激光器、同位素激光器和半導體泵浦激光器。   激光熱處理:在汽車工業中應用廣泛,如缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理,同時在航空航天、機床行業和其它機械行業也應用廣泛。我國的激光熱處理應用遠比國外廣泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器,CO2激光器為主。   激光快速成型:將激光加工技術和電腦數控技術及柔性製造技術相結合而形成。多用於模具和模型行業。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主。   激光塗敷:在航空航天、模具及機電行業應用廣泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主。   激光成像:利用激光束掃描物體,將反XX光束反XX回來,得到的排布順序不同而成像。用圖像落差來反映所成的像。激光成像具有超視距的探測能力,可用於衛星激光掃描成像,未來用於遙感測繪等科技領域。

在醫學中的應用

  激光在醫學上的應用主要分三類:激光生命科學研究、激光診斷、激光治療,其中激光治療又分為:激光手術治療、弱激光生物刺激作用的非手術治療和激光的光動力治療。   應用於牙科的激光系統依據激光在牙科應用的不同作用,分為幾種不同的激光系統。區別激光的重要特徵之一是:光的波長,不同波長的激光對組織的作用不同,在可見光及近紅外光譜範圍的光線,吸光性低,穿透性強,可以穿透到牙體組織較深的部位,例如氬離子激光、二極體激光或Nd:YAG激光(如圖1)。而Er:YAG激光和CO,激光的光線穿透性差,僅能穿透牙體組織約0.01毫米。區別激光的重要特徵之二是:激光的強度(即功率),如在診斷學中應用的二極體激光,其強度僅為幾個毫瓦特,它有時也可用在激

激光的應用

顯示器上。   用於治療的激光,通常是幾個瓦特中等強度的激光。激光對組織的作用,還取決於激光脈衝的發XX方式,以典型的連續脈衝發XX方式的激光有:氬離子激光、二極體激光、CO2,激光;以短脈衝方式發XX的激光有:Er:YAG激光或許多Nd:YAG激光,短脈衝式的激光的強度(即功率)可以達到1,000瓦特或更高,這些強度高、吸光性也高的激光,只適用於清除硬組織。激光美容   (1)激光在美容界的用途越來越廣泛。激光是通過產生高能量,聚焦精確,具有一定穿透力的單色光,作用於人體組織而在局部產生高熱量從而達到去除或破壞目標組織的目的,各種不同波長的脈衝激光可治療各種血管性皮膚病色素沉著,如太田痣鮮紅斑痣雀斑老年斑、毛細血管擴張等,以及去紋身、洗眼線、洗眉、治療瘢痕等;而近年來一些新型的激光儀,高能超脈衝CO2激光,鉺激光進行除皺、磨皮換膚、治療打鼾美白牙齒等等,取得了良好的療效,為激光外科開闢越來越廣闊的領域。   (2)激光手術有傳統手術無法比擬的優越性。首先激光手術不需要住院治療,手術切口小,術中不出血創傷輕,無瘢痕。例如:眼袋的治療傳統手術法存在著由於剝離範圍廣、術中出血多,術后愈合慢,易形成瘢痕等缺點,而應用高能超脈衝CO2激光儀治療眼袋,則以它術中不出血,不需縫合,不影響正常工作,手術部位水腫輕,恢復快,無瘢痕等優點,令傳統手術無法比擬。而一些由於出血多而無法進行的內窺鏡手術,則可由激光切割代替完成。(注:有一定的適應範圍)   (3)激光在血管性皮膚病以及色素沉著的治療中成效卓越。使用脈衝染料激光治療鮮紅斑痣,療效顯著,對周圍組織損傷小,幾乎不落疤。它的出現,成為鮮紅斑痣治療史上的一次革命,因為鮮紅斑痣治療史上,放XX、冷凍、電灼、手術等方法,其瘢痕發生率均高,並常出現色素脫失或沉著。激光治療血管性皮膚病是利用含氧血紅蛋白對一定波長的激光選擇性的吸收,而導致血管組織的高度破壞,其具有高度精確性與安全性,不會影響周圍鄰近組織。因此,激光治療毛細血管擴張也是療效顯著。   此外,由於可變脈衝激光等相繼問世,使得不滿意紋身的去除,以及各類色素性皮膚病如太田痣,老年斑等的治療得到了重大突破。這類激光根據選擇性光熱效應理論,(即不同波長的激光可選擇性地作用於不同顏色的皮膚損害),利用其強大的瞬間功率,高度集中的輻XX能量及色素選擇性,極短的脈寬,使激光能量集中作用於色素顆粒、將其直接汽化、擊碎,通過淋巴組織排出體外,而不影響周圍正常組織,並且以其療效確切,安全可靠,無瘢痕,痛苦小而深入人心。   (4)激光外科開創了醫學美容的新紀元。高能超脈衝CO2激光磨皮換膚術開拓了美容外科的新技術。它利用高能量,極短脈衝的激光,使老化、損傷的皮膚組織瞬間被汽化,不傷及周圍組織,治療過程中幾乎不出血,並可精確的控製作用深度。其效果得到國際醫學整形美容界充分肯定,被譽為「開創了醫學美容新紀元」;此外,更有高能超脈衝CO2激光儀治療眼袋、打鼾、甚至激光美白牙齒等,以其安全精確的療效,簡便快捷的治療在醫學美容界創造了一個又一個奇跡。激光美容使得醫學美容向前邁進了一大步,並且賦予醫學美容更新的內涵。   激光去除面部黑痣   激光去黑痣的原理就在於將激光在瞬間爆發出的巨大能量置於色素組織中,把色素打碎並分解,使其可以被巨噬細胞吞併掉,而後會隨著淋巴循環系統排出體外,由此達到將色素去去掉的目的。   激光去痣可以適用的痣的類型很多,比如包括上面提到的三種色素痣、太田痣、鮮紅斑痣等,療效都很明顯,並且不容易留疤,風險性小。用二氧化碳激光亦能去黑痣。激光治療近視   提示下情況的患者不適接受激光治療:

第一. 眼部活動性炎症及病變;第二. 眼周化膿XX灶;第三. 已確診的圓錐角膜;第四. 嚴重乾眼症,伴有系統性乾燥綜合征;第五. 中央角膜厚度低於450μm;第六. 嚴重的眼附屬器病變:眼瞼缺損、變形、慢性淚囊炎等;第七. 全身結締組織病及嚴重自身免疫性疾病,如系統性紅斑狼瘡、類風濕XX節炎、多發性硬化。   相對禁忌證   1. 超高度近視伴后鞏膜葡萄腫者;2. 初次手術前角膜中央平均曲率低於39D或高於47D應慎重;3. 暗光下瞳孔直徑大於7mm;4. 對側眼為法定盲眼;5. 2年內曾患單純皰疹性角膜炎;6. 輕度白內障;7. 有視網膜脫離黃斑出血病史;8. 輕度乾眼症;9. 輕度瞼裂閉合不全;10. 可疑青光眼患者;11. 月經期妊娠期;12. 瘢痕體質;13. 糖尿病;14. 感冒發燒身體不適;15. 癲癇;16. 焦慮症、抑鬱症以及對手術期望過高者。激光除皺   激光除皺是通過電腦控制的、低能量的二氧化碳激光,能準確地控制汽化皮膚表層的深度,完成分層汽化、無碳化的面部除皺護膚技術。激光用於消除皺紋的技術,是激光技術應用於臨床以後,並幾經改進、完善與不斷更新后的結果。   原理:皺紋產生的主要原因是皮膚膠原減少,真皮層變薄。運用最新激光-XX頻聯合技術照XX皮膚,可使真皮層增厚、減少皺紋,其原理是:刺激受損的膠原層,產生新的膠原質,從而填平因膠原減少而出現褶皺的皮膚;加熱真皮組織層,利用人體自身修復機能刺激組織再生重建,使真皮層增厚。   合理設計的激光可以通過皮膚中的黑色素、血紅蛋白,尤其是水吸收激光釋放的能量,併產生光熱效應使之轉化為熱量,從而激活真皮中成纖維細胞等各種基質細胞產生新生的膠原蛋白、彈性蛋白以及各種細胞間基質,併發生組織重構,就象是給慵懶的皮膚做運動一樣,使其通過鍛煉而重新煥發年輕活力。數次治療之後的皮膚含水量及彈性增加,質地改善,細小皺紋減少。   適應症:1、原發性癥狀:[3]口周皺紋、眶周皺紋、萎縮性(凹陷性)疤痕、良性皮膚贅生物(腫瘤);   2、皮膚粗糙毛孔粗大、細小皺紋等皮膚老化表現以及炎性痤瘡或痤瘡后瘢痕等。   高能超脈衝激光能夠把周圍組織的熱損傷降到最低程度。微小皺紋和凹陷疤痕也可進行精確磨削。超脈衝激光能避免以往機械磨皮法、化學剝脫術出血多,飛濺的血液、組織細屑可使病毒病人與病人間、病人與醫務人員間傳播等不足,通過氣化病變組織來徹底消除皮膚損害,並使正常皮膚的熱損傷極小,這一過程的作用時間快于使周圍的正常組織也被加熱的所需時間,具有磨皮去皺的功能

在軍事中的應用

  激光武器是一種利用定向發XX的激光束直接毀傷目標或使之失效的定向能武器。根據作戰用途的不同,激光武器可分為戰術激光武器和戰略激光武器兩大類。武器系統主要由激光器和跟蹤、瞄準、發XX裝置等部分組成,目前通常採用的激光器有化學激光器、固體激光器、CO2激光器等。激光武XX有攻擊速度快、轉向靈活、可實現精確打擊、不受電磁干擾等優點,但也存在易受天氣環境影響等弱點。   激光武器已有30多年的發展歷史,其關鍵技術也已取得突破,美國、俄羅斯、法國、以色列等國都成功進行了各種激光打靶試驗。目前低能激光武器已經投入使用,主要用於干擾和致盲較近距離的光電感測器,以及攻擊人眼和一些增強型觀測設備;高能激光武器主要採用化學激光器,按照現有的水平,今後5—10年內可望在地面和空中平台上部署使用,用於戰術防空、戰區反導和反衛星作戰等。   激光武器特點高度集束的激光,能量也非常集中。舉例說;在日常生活中我們認為太陽是非常亮的,但一台巨脈衝紅寶石激光器發出的激光卻比太陽還亮200億倍。當然,激光比太陽還亮,並不是因為它的總能量比太陽還大,而是由於它的能量非常集中。例如,紅寶石激光器發出的激光XX束,能穿透一張1/3厘米厚的鋼板,但總能量卻不足以煮熟一個雞蛋。   激光作為武器,有很多獨特的優點。首先,它可以用光速飛行,每秒30萬公里,任何武器都沒有這樣高的速度。它一旦瞄準,幾乎不要什麼時間就立刻擊中目標,用不著考慮提前量。另外,它可以在極小的面積上、在極短的時間里集中超過核武器100萬倍的能量,還能很靈活地改變方向,沒有任何發XX性污染。激光武器分為三類:一是致盲型。前面我們講過的機載致盲武器,就屬於這一類。二是近距離戰術型,可用來擊落導彈和飛機。1978年美國進行的用激光打陶式反坦克導彈的試驗,就是用的這類武器。三是遠距離戰略型。這類的研製困難最大,但一旦成功,作用也最大,它可以反衛星、反洲際彈道導彈,成為最先進的防禦武器。   激光怎樣擊毀目標呢?科學家們認為有兩個方面:一是穿孔,二是層裂。所謂穿孔,就是高功率密度的激光束使靶材表面急劇熔化,進而汽化蒸發,汽化物質向外噴XX,反衝力形成衝擊波,在靶材上穿一個孔。所謂層裂,就是靶材表面吸收激光能量后,原子被電離,形成等離體「雲」。「雲」向外膨脹噴XX形成應力波向深處傳播。應力波的反XX造成靶材被拉斷,形成「層裂」破壞。除此以外,等離子體「雲」還能輻XX紫外線或X光,破壞目標結構和電子元件。 激光武器作用的面積很小,但破壞在目標的關鍵部位上,可造成目標的毀滅性破壞。這和驚天動地的核武器相比,完全是兩種風格。   激光武器的分類:不同功率密度,不同輸出波形,不同波長的激光,在與不同目標材料相互作用時,會產生不同的殺傷破壞效應。用激光作為「死光」武器,不能像在激光加工中那樣借助於透鏡聚焦,而必須大大提高激光器的輸出功率,作戰時可根據不同的需要選擇適當的激光器。目前,激光器的種類繁多,名稱各異,有體積整整佔據一幢大樓、功率為上萬億瓦、用於引發核聚變的激光器,也有比人的指甲還小、輸出功率僅有幾毫瓦、用於光電通信的半導體激光器。按工作介質區分,目前有固體激光器、液體激光器和分子型、離子型、准分子型的氣體激光器等。同時,按其發XX位置可分為天基、陸基、艦載、車載和機載等類型,按其用途還可分為戰術型和戰略型兩類。   1.戰術激光武器   戰術激光武器是利用激光作為能量,是像常規武器那樣直接殺傷敵方人員、擊毀坦克、飛機等,打擊距離一般可達20公里。這種武器的主要代表有激光槍和激光炮,它們能夠發出很強的激光束來打擊敵人。1978年3月,世界上的第一支激光槍在美國誕生。激光槍的樣式與普通步槍沒有太大區別,主要由四大部分組成:激光器、激勵器、擊發器和槍托。目前,國外已有一種紅寶石袖珍式激光槍,外形和大小與美國的派克鋼筆相當。但它能在距人幾米之外燒毀衣服、燒穿皮肉,且無聲響,在不知不覺中致人死命,並可在一定的距離內,使火藥爆炸,使夜視儀、紅外或激光測距儀等光電設備失效。還有7種稍大重量與機槍相仿的小巧激光槍,能擊穿銅盔,在1500米的距離上燒傷皮肉、致瞎眼睛等。 戰術激光武器的"挖眼術"不但能造成飛機失控、機毀人亡,或使炮手喪失戰鬥能力,而且由於參戰士兵不知對方激光武器會在何時何地出現,常常受到沉重的心理壓力。因此,激光武器又具有常規武器所不具備的威懾作用。1982年英阿馬島戰爭中,英國在航空母艦和各類護衛艦上就安裝有激光致盲武器,曾使阿根廷的多架飛機失控、墜毀或誤入英軍的XX擊火網。   2.戰略激光武器   戰略激光武器可攻擊數千公里之外的洲際導彈;可攻擊太空中的偵察衛星和通信衛星等。例如,1975年11月,美國的兩顆監視導彈發XX井的偵察衛星在飛抵西伯利亞上空時,被前蘇聯的「反衛星」陸基激光武器擊中,並變成「瞎子」。因此,高基高能激光武器是奪取宇宙空間優勢的理想武器之一,也是軍事大國不惜耗費巨資進行激烈爭奪的根本原因。據外刊透露,自70年代以來,美俄兩國都分別以多種名義進行了數十次反

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