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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(ài)因斯坦解釋黑體輻射定律時(shí)提出的假說(shuō),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(guò)程。 Hv8H.^D> Vha'e3o! 那么激光是如何產(chǎn)生的呢? *Wso3 6an w2C&%Xk 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(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)處于低能級(jí)上的粒子(原子、分子或離子)吸收了適當(dāng)頻率外來(lái)能量(光)被激發(fā)而躍遷到相應(yīng)的高能級(jí)上(受激吸收)后,總是力圖躍遷到較低的能級(jí)去,同時(shí)將多余的能量以光子形式釋放出來(lái)。如果光是在沒(méi)有外來(lái)光子作用下自發(fā)地釋放出來(lái)的(自發(fā)輻射),此時(shí)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(lái)光子直接作用下由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)將多余的能量以光子形式釋放出來(lái)(受激輻射),被釋放的光子則與外來(lái)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(lái)光得到了加強(qiáng),我們稱(chēng)之為光放大。顯然,如果通過(guò)受激吸收,使處于高能級(jí)的粒子數(shù)比處于低能級(jí)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(shí)就有可能形成激光了。 Ox|TMSb^ Li]k7w?H 接下來(lái)說(shuō)說(shuō)激光的特性和特征。 0U%Xm[: Co[n--@C 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; x~z_,': ,z G(u 1 1.方向性好 ——普通光源(太陽(yáng)、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(gè)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(wàn)倍。激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測(cè)距就是利用方向性好這一特性。 jWSb5#Pw d@Q][7 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(yáng)光亮度大約是103瓦/(厘米2.球面度),而一臺(tái)大功率激光器的輸出光亮度經(jīng)太陽(yáng)光高出7~14個(gè)數(shù)量級(jí)。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(wàn)攝氏度甚至幾百萬(wàn)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。 7OE[RX8!f guE2THnz3D 3.單色性好 ——光是一種電磁波。光的顏色取決于它的波長(zhǎng)。普通光源發(fā)出的光通常包含著各種波長(zhǎng),是各種顏色光的混合。太陽(yáng)光包含紅、登、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的可見(jiàn)光及紅外光、紫外光等不可見(jiàn)光。而某種激光的波長(zhǎng),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(zhǎng)為632.8納米,其波長(zhǎng)變化范圍不到萬(wàn)分之一納米。由于激光的單色性好,為精密度儀器測(cè)量和激勵(lì)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。 bNXAU\M^ nPOO3!<{ 4.相干性好 ——干涉是波動(dòng)現(xiàn)象的一種屬性;诩す饩哂懈叻较蛐院透邌紊缘奶匦裕厝幌喔尚詷O好。 +aj^Cs1$ rFfy#e 那人類(lèi)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。
$WR? =LK}9ViH 各式各樣的激光器. 在光源中,實(shí)現(xiàn)能級(jí)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。 5j`v`[B; ^SAq^3^P! 要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),需借助外來(lái)光的力量,使大量原來(lái)處于低能級(jí)的粒子躍遷到高能級(jí)上去,這個(gè)過(guò)程我們稱(chēng)之為“激勵(lì)”。我們通常所說(shuō)的激光器,就是使光源中的粒子受到激勵(lì)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(guò)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(guò)激勵(lì)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(lì)后能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì))、激勵(lì)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(gè)部分組成。經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展,各國(guó)開(kāi)發(fā)出實(shí)用的激光器已超過(guò)200種。種類(lèi)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(mǎn)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(shí)間盡量縮短,以從事某些特快過(guò)程的研究。有的還對(duì)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(zhǎng)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。 -%H%m`wD 8kS~ENe?o 有了激光器,那激光有哪些應(yīng)用呢? <6R"h-u" G5;V.#"Z[ 首先是軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。這個(gè)我對(duì)軍事領(lǐng)域還是比較感興趣的。 +6oG@ -bm,:Iy! 為了滿(mǎn)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(cè)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(cè)距儀開(kāi)始裝備部隊(duì),現(xiàn)已研制生產(chǎn)出多種類(lèi)型,大都采用釔鋁石榴石激光器,測(cè)距精度為±5米左右。由于它能迅速準(zhǔn)確地測(cè)出目標(biāo)距離,廣泛用于偵察測(cè)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(jiǎn)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(guó)研制的激光制導(dǎo)航空炸彈在越南戰(zhàn)場(chǎng)首次使用。80年代以來(lái),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(duì)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(cè)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。 2uL9.q 79wLT\& 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(huì)的各個(gè)方面,對(duì)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步正在起著越來(lái)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(shuō)激光在信息領(lǐng)域和全息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用 U!0E_J hiN/S|JN8y 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(wàn)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(wàn)倍。一根比頭發(fā)絲還細(xì)的光纖,就可以同時(shí)傳輸上萬(wàn)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(wàn)戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)新時(shí)代。利用激光技術(shù)進(jìn)行光存儲(chǔ),使信息的存儲(chǔ)發(fā)生了革命性的飛躍。激光技術(shù)使光存儲(chǔ)容量大大增加。一張計(jì)算機(jī)用的盤(pán)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。 T
.hb#oO $kl$D"*0 2、激光在全息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用. 光作為一種波動(dòng)現(xiàn)象,表征它的物理量有波長(zhǎng)(同顏色有關(guān))、振幅(同光的強(qiáng)弱有關(guān))和位相(表示波動(dòng)起點(diǎn)同基準(zhǔn)時(shí)間的關(guān)系)。人們利用感光的照相方法,只能記錄下波長(zhǎng)和振幅,所以無(wú)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(guò)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(shí)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(jì)量、無(wú)損探傷、全息光彈性、微應(yīng)變分析和振動(dòng)分析等科學(xué)研究。利用全息干涉術(shù)研究燃?xì)馊紵^(guò)程、機(jī)械件的振動(dòng)模式、蜂窩板結(jié)構(gòu)的粘結(jié)質(zhì)量和汽車(chē)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(lái)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?cè)鎏硪环N新的生活享受。 R6<4"?*r ??(Kwtx{ 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(lèi)社會(huì)帶來(lái)巨大的收益。
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