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激光原理及其应用

浏览1020次  更新时间:2009-6-6

激光原理及其应用

      激光(Laser),它指通过受激辐射放大和必要的反馈,产生准直、单色、相干的光束的过程及仪器。而基本上,产生激光需要"共振腔"(resonator)、"增益介质"(gain medium)以及"激发来源"(pumping source)这三个要素。


一、原理
    原子的运动状态可以分为不同的能级,当原子从高能级向低能级跃迁时,会释放出相应能量的光子(所谓自发辐射)。同样的,当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话,会导致原子从低能级向高能级跃迁(所谓受激吸收);然后,部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子(所谓受激辐射)。这些运动不是孤立的,而往往是同时进行的。当我们创造一种条件,譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场,受激辐射得到放大从而比受激吸收要多,那么总体而言,就会有光子射出,从而产生激光。

二、分类
     根据产生激光的媒质,可以把激光器分为液体激光器、气体激光器和固体激光器等。而现在最常见的半导体激光器算是固体激光器的一种。

三、构成
     激光器大多由激励系统、激光物质和光学谐振腔三部分组成。激励系统就是产生光能、电能或化学能的装置。目前使用的激励手段,主要有光照、通电或化学反应等。激光物质是能够产生激光的物质,如红宝石、铍玻璃、氖气、半导体、有机染料等。光学谐振控的作用,是用来加强输出激光的亮度,调节和选定激光的波长和方向等。


四、应用
     激光应用很广泛,主要有 fiber communication, 激光测距、激光切割、激光武器、激光唱片等等。

五、历史
     1958年,美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象:当他们将内光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象,他们提出了"激光原理",即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时,都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发现了重要论文。


     肖洛和汤斯的研究成果发表之后,各国科学家纷纷提出各种实验方案,但都未获成功。1960年5月15日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。


     1960年7月7日,梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生,梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来刺激在红宝石色水晶里的铬原子,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。


     前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。其特点是:尺寸小,耦合效率高,响应速度快,波长和尺寸与光纤尺寸适配,可直接调制,相干性好。

六、激光的一些主要应用方向

(l)激光通信

     用光传递信息,在今天十分普遍。比如,舰船用灯语通信,交通灯用红、黄、绿三色调度。但是所有这些用普通光传递信息的方式,都只能局限在短距离内。要想把信息通过光直接传递到遥远的地方,就不能用普通光,而只能动用激光。

     那么如何传递激光呢?我们知道,电是可以沿着铜线输送的,但光是不能沿着普通金属线输送的。为此,科学家们研制出来一种能够传输光的细丝,叫作光导纤维,简称光纤。光纤是用特种玻璃材料制成的,直径比人的头发丝还要细,通常为50~150 微米,而且非常柔软。

     实际上,光纤的内芯是高折射率的透明光学玻璃,而外面的包皮层则是用低折射率的玻璃或塑料制成。这样的结构,一方面能使光沿着内芯折射前进,就像水在自来水管里往前流动,电在导线中往前传输一样,即使千绕百折也没有什么影响。另一方面,低折射率的包皮层又能阻止光外泄,就像水管不会渗水,电线的绝缘层不会导电一样。

     光导纤维的出现解决了传递光的途径,但并不是说有了它就可以把任何光都能传送到很远很远的地方去。只有亮度高、颜色纯、方向性好的激光,才是传递信息最理想的光源,它从光纤的一端输入后,几乎没有什么损失又从另一端输出。因此,光通信实质上就是激光通信,它具有容量大、质量高、材料来源广、保密性强、经久耐用等优点,被科学家们誉为通信领域的一场革命,是技术革命中最辉煌的成果之一。

     激光通信先进在哪里?激光通信的优点首先是容量大。它的容量有多大呢?当我们平时打电话时,讲着讲着有时会串进来不相干的说话声。这种打架现象是由于一对电话线上只能通过一路电话,如果另外串进来一路电话,正常的通话双方就会受到干扰。假如有10对人同时用一对电话线通话,就等于20个人同时讲话,那就根本无法通话了。为了解决这个问题,就必须采用载波等方法,使各路电话分别处在各个频段上。由于普通电话的频率范围为300~400赫,而在一对电话线上最高频率只有1500千赫,所以在一对电话线上只能同时通过十几路电话。显然,这样的电信容量是远远不能满足当今信息社会的要求的。

     如果我们把普通电话的传输信息量比作是小推车的话,那么激光通信则是汽车。由于激光的频率要比无线电波高得多,所以激光通信的信息容量要比电气通信大10亿倍。一根比头发丝还细的光纤就可以传输几万路电话或几千路电视节目。由20根光纤组成的光缆只有一支铅笔那样粗细,每天可以通话76200人次。相比之下,由1800根铜线组成的电缆,直径约7.6厘米,但每天却只能通话900人次。

     尤其令人惊讶的是,光纤通信特别适合于电视、图像和数字的传递。据报道,一对光纤可在一分种内传递全套《大英百科全书》。

     此外,制造光导纤维的材料是地球上到处都有的砂子——石英,只要几克石英就能制造出1千米长的光纤。这样,不仅原材料取之不尽、用之不竭,还可以大大节约铜和铝材。正因为如此,目前世界上发达国家都在竞相研究激光通信。于是激光通信成了争相发展的宠儿。

     在通信技术史上,光纤通信技术的发展之快是前所未有的。拿通信技术史上的几个里程碑来看,电话从发明到应用,花费了60年左右的时间,并且电话通信至今仍大量、普遍使用。无线电技术(例如电报)从发明到应用也花了30年左右时间。电视技术虽然发展较快,但仍然孕育了约14年。而激光通信,从第一根低损耗光导纤维的诞生到应用,总共只有5年时间。现在激光通信不仅应用广泛,而且形成了巨大的光纤市场。

     1977年5月,美国有一家大公司叫电报电话公司,它在芝加哥市内的两个电话局之间,敷设了世界上第一条短距离的光导纤维通信线路,此后在全美国近百个地方建立了总长几百千米的短距离激光通信线路。这就意味着在短距离内,激光通信已开始取代普通的电气通信。到了1983年,美国纽约到波士顿之间长达600千米的光导纤维通信已投入使用。

     紧跟在美国后面的是日本。1984年,日本完成了从北海道的札幌至九州福冈的长距离光导纤维通信干线,全长达2800千米,中间联结着30多个城市。1993年12月,中国和日本之间横跨东海的光纤电缆已铺设成功。日本和美国之间横跨太平洋的长达1万千米的海底光缆也在设计中。

     由于光导纤维通信的蓬勃发展,美、日、英、法等工业发达国家相继成立了光导纤维、光缆生产企业。世界上三大著名的光纤光缆公司——美国的西电公司、康宁公司和日本的住友公司,光导纤维产量每年都在12万千米以上。

     总之,工业发达国家都已建立了全国性的光纤通信网络,以便彻底替代目前的铜质电线电缆,这项浩大的技术工程估计到2000年可告完成。到那时候,激光通信将给我们这个地球带来巨大变化。例如,足不出户就可以利用光纤网络在家中处理文件或参加一个会议;或者将家中的光纤网络与购物中心相连,如同置身在超级市场一样,坐在家中选购需要的商品,货款只须与电子金融购物系统结算。各地的医疗中心也可以从屏幕上查看病人的病情和化验报告,并据此开出处方单,从而真正做到“秀才不出门,可知天下事”,“运筹于帷幄之中,决胜于千里之外”。

     激光和光纤还可以传送图像。首先,要将直径比人头发丝还要细的单根光导纤维组合成纤维束。在传送信息过程中,常用的纤维束有两种:一种叫传光束,另一种叫传像束。传光束的任务是将光从一头传到另一头。传光束结构比较简单,它是由多根单丝胶合在一起,再将其端面抛光、研磨,以便减少光进入光纤时的反射和散射损失,然后在传光束外面套上塑料护套。

     由于一根光纤只能传送一个光点,要传送整幅图像就必须将光导纤维一根一根整齐地排列起来,这样组成的光纤束就叫传像束。

     在传像束中,全部光纤都排列得整整齐齐,两个端头所处的位置都一一严格对应,一点也不混乱,就像一把整齐的筷子那样。比如,某根光纤的一头在传像束中处于第八排第八列的位置上,那么它的另一头也同样是处于八、八位置上。

     传像束在传送图像时,首先将图像分割成网眼状,即一幅图像被无数根光纤分解成无数个像元,然后再传送出去。一根光纤负责传送一个像元,无数根光纤便能将整幅图像传送到另一端。如果要使图像传送得清晰,就要尽可能选用直径较细的光纤,因为光纤越细,在一定的传像束上就能容纳进更多的光束,这样就能传送更多的像元。显然,像元越多,图像就越清晰。

     现在应用的传像束由上万根光纤组成,要把这么多光纤整齐地排列起来可不是一件容易的事。排列好后,再用一种叫作环氧树脂的有机粘合剂将两端胶合,使光纤粘结固定,保证两端光纤一一对应。对两个端面还要磨平和抛光。至于中间部分则不必粘牢,而是像二胡的弦那样松散,只须在外面加上保护的塑料套管,这样的传像束既柔软,又可以任意弯曲。

     除了传送图像处,传像束还能传送一般的符号或数字,以及放大图像或缩小图像。

     如要放大图像,可以将传像束做成一端大、一端小,就像锥体那样。当图像元从小端传到大端时,整幅图像就被放大。反之,如将图像从大端发送到小端,整幅图像就被缩小了。

     此外,利用光纤还可以改变图像。如果根据需要有意打乱光导纤维的排列,就可以使出口端的像元并不落在原先对应的点上,而落到主观构思的点上,于是图像就改变了。如果将图像元进口端的光纤做成方形,而将出口端光纤做成圆环形,就能将方形的图像元变成圆环形的像元。

     总之,光纤传像束有很大的发展潜力,在未来的光信息处理技术中将日益显示其独特的作用。

(2)材料加工

      钻孔、切割、焊接以及淬火,是加工金属材料时最常用的操作。自从引进了激光后,在加工的强度、质量以及范围等方面开创了全新的局面。除了金属材料外,激光还能加工许多非金属材料。

      激光钻孔机在激光钻孔机问世之前,对各种机械零件钻孔靠的是电动钻孔机或冲床。但机械钻孔不仅效率低,而且钻出的孔洞表面不够光洁。

      激光钻孔的原理,是利用激光束聚集使金属表面焦点温度迅速上升,温升可达每秒l00万度。当热量尚未发散之前,光束就烧熔金属,直至汽化,留下一个个小孔。激光钻孔不受加工材料的硬度和脆性的限制,而且钻孔速度异常快,快到可以在几千分之一秒,乃至几百万分之一秒内钻出小孔。

      比如,如果需要在金属薄板上钻出几百个连人眼都难以察觉出来的微孔,用电动钻孔机显然是不能胜任的,但用激光钻孔机却能在1~2秒钟内全部完成。如果用放大镜对这些微孔作一番细查的话,可发现微孔面十分整齐光洁。

      激光钻孔还可用来加工手表钻石。它每秒钟可钻 20~30个孔,比机械加工效率高几百倍,而且质量高。同时,激光钻孔与下面我们就要讲到的激光切割一样,加工过程是非接触式的,即不像机械加工那样靠钢钻头逐渐钻透金属材料。因此,激光操作可以在自动化连续加工,或者在超净、真空的特殊环境中发挥作用。

     激光切割机知道了激光钻孔的原理,就容易理解激光为什么可以切割金属材料了:只要移动工件或者移动激光束,使钻出的孔洞连边成线,就自然能将材料切割下来了。而且,不论是什么样的材料,如钢板、钛板、陶瓷、石英、橡胶、塑料、皮革、化纤、木材等,激光都如一柄削铁如泥,削木如灰的光剑,而且,切割的边缘非常光洁。

     激光焊接机激光之所以能用来焊接,是因为它的功率密度很高。所谓功率密度高,是指在每平方厘米面积上能集中极高的能量。激光的功率密度有多高呢?我们可以作个比较:工厂里通常用于焊接的乙炔火焰能将两块钢板焊在一起,这种火焰的功率密度可以达到每平方厘米1000瓦;氩弧焊设备的功率密度还要高,可以达到每平方厘米10000瓦。但这两种焊接火焰根本无法与激光相比,因为激光的功率密度要比它们高出千万倍。这样高的功率密度不仅可以焊接一般的金属材料,还可以焊接又硬又脆的陶瓷。

     激光淬火传统的淬火方法十分简单,先将刀刃烧红,然后骤然浸到冷水里,经过这一热一冷的处理,刀刃的硬度就大为提高。不过,这样淬火显然不太方便,效果也不一定理想。

     激光淬火,是用激光扫描刀具或零件上需要淬火的部位,使被扫描区域的温度升高,而未被扫描到的部位仍维持常温。由于金属散热快,激光束刚扫过,这部位的温度就急骤下降。降温越快,硬度也就越高。如果再对扫描过的部位喷速冷剂,就能获得远比普通淬火要理想得多的硬度。

(3)激光照相排版

    照相排版实际上是引入了光学摄影原理。用活字排版,必须根据书稿,依样画葫芦地检出各种大小、字体不同的铅字和符号进行排版。而照相排版要简便很多,它是通过排字机上的透镜,来改变字样的大小和形状的。至于用透镜为什么就能改变字样的大小和形状,这实际上就等于我们照“哈哈镜”。

    用照相排版时,只需将光源通过透镜把需要的文字和符号,在感光相纸上成像,再经过显影和定影就形成了照相底片。然后,只要像印照片那样印刷就行。

    照相排版可使用两种光源,刚才讲的是普通光源,相比之下,激光排版省时省力。由于激光亮度高,颜色浅,可以大大改善图像的清晰度,印出来的书质量自然就高。它的原理是怎样的呢?首先通过计算机把文字变成一个个点,然后用点来控制激光扫描感光底片,才真正拍摄出全息照相。

    全息照相与立体照相是两回事。尽管立体彩色照片看上去色彩鲜艳、层次分明,富有立体感,但它总归仍是单面图像,再好的立体照也代替不了真实的实物。比如,一个正方形木块的立体照,不论我们怎样改变观察角度,只能看到照片上的那个画面,但全息照就不同了,我们只要改变一下观察角度,就可以看到这个正方块的六个方面。因为全息技术能将物体的全部几何特征信息都记录在底片上,这也是全息照相最重要的一个特点。

    全息照相的第二个重要特点是,能以一斑而知全豹。当全息照被损坏,即使是大半损坏的情况下,我们仍然可以从剩下的那一小半上看到这张全息照上原有物体的全貌。这对于普通照片来说就不行,即使是损失一只角,那只角上的画面也就看不到了。

    全息照的第三个特点是,在一张全息底片上可以分层记录多幅全息照,而且在它们显示画面时不会互相干扰。正是这种分层记录,使得全息照能够存储巨大的信息量。激光全息照的底片,可以是特种玻璃,也可以是乳胶、晶体或热塑等。一块小小的特种玻璃,可以把一个大型图书馆里的上百万册藏书内容全部存储进去。全息照相的用途日益广泛。

    全息照相可以将珍贵的历史文物记录下来,万一有文物古迹遭到严重破坏,即使荡然无存,我们仍然可以根据全息照相重建。比如像北京圆明园那样的名胜,当年被八国联军焚毁,现在虽然打算重建,因为不知道原来的整个面貌,就难以完全恢复。如果全息照相提早100年发明的话,事情就好办了。

    全息照相在工业上还可以用作无损检测。什么是无损检测呢?就是说,用激光全息技术既可以检查出产品有没有微小的毛病,又一点也不会损伤这些产品。

    更令人感兴趣的是,目前全息照相还被用来拍摄全息电影和电视,不久观众会看到真实生活的图像画面了。即用激光“撞”击底片上的感光涂料,留下无数个对应的点,这些点经显影、定影后就重新变成文字或图像。这里,激光束相当于电子束,感光底片相当于电视机荧屏。接下来,用载有文字和图像的底片就可以去印书报杂志了。彩色电视机之所以能显示红、绿、蓝三色,是由于荧屏上涂有三色荧光粉,它们在电子撞击下会显出三种颜色。而激光照相排版也可以采用类似的原理,印刷出优美的彩色画面来。

(4)激光在医学上的应用

    激光应用在医疗器械领域的成果是很多的,它可以扮演钻头、手术刀、焊枪等多种角色。

    焊枪和钻头在眼科,激光主要是用来治疗视网膜剥离。视网膜剥离是一种很棘手的疾病,患者的视网膜与眼球内壁脱开,无法产生视觉。在激光没有问世之前,病人恐怕难免失明的苦难。

    现在,医生可以用激光器对准病人眼底,使激光器发射出一束激光,通过加热使视网膜重新与眼球内壁合在一起。整个过程要不了几分钟,激光束就像焊枪一样,将病人的视网膜焊接好了。

    除了焊接外,激光这把焊枪也可以用于切割。

    白内障是老年人的常见病。病人的眼球前部的凸透镜——晶状体,由原来透明的弹性体渐渐变得混浊无弹性,光线就不能通过晶状体,落到眼底的视网膜上,病人逐渐看不见东西。治疗白内障的传统办法是,将眼球前部切开一条口子,然后从小口子中伸进一根细金属针。这根金属针温度极低,将浑浊的晶状体冻得粘在针上,然后一起从小口子中带出,显然,整个手术比较麻烦。

    如果用医用激光器来治疗,不仅方便,而且效果好。只要将激光束对准眼球内晶状体的前表面或后表面发射,就可以迅速切除掉晶状体表面的混沌膜。

    在牙科,激光可以代替牙钻。根据世界卫生组织统计,儿童的龋齿发病率是相当高的,大约达到75%。用激光治牙,病人几乎没有不舒服的感觉,而且只要不发炎,一次治疗就能解决问题。牙科激光器是激光器中的小弟弟,它的功率很小,只有3瓦,相当于一支节能灯,几乎不产生热量。它的发射端实际上是像头发丝那么细的光导纤维。

    治疗时,只须将光纤发射端接近龋齿灶,发出激光束,龋处组织会分解,然后用清水冲洗掉。如果龋齿仅是浅度的牙珐琅质受损,激光束会将受损处的细微孔隙一一封死,这样便可以阻止乳酸腐蚀牙本质。如果已出现了龋孔,用激光束钻孔、清洗后,即可将人造珐琅质材料填入空洞中,再用激光加热接合处,使人造珐琅质材料与牙珐琅质融为一体。激光治牙不仅无痛、迅速,而且治疗后的效果也好。

    激光手术刀如果要使用激光刀给病人的膀胱、心脏、肝脏、胃、肠等重要内脏动手术,难度就大了。激光怎么能进入到人的内脏里去呢?这就要靠医生手中的一件宝贝了,这件宝贝就是激光纤维内窥镜。

    所谓内窥镜,是医生用来插到人体内直接观察器官的光学装置。但通常的内窥镜体积比较大,也比较粗糙,只能从病人口腔沿食道插到胃里观察。插胃是十分难受的,病人会感到很痛苦。激光纤维内窥镜则完全不同。用光导纤维做成的内窥镜又软、又细、又能弯曲,当它插入病人胃里时,不会有痛苦。除了胃,光纤内窥镜还能进入其他重要的脏器内。激光纤维内窥镜一方面可用来检查病人的脏器是否有病变,更主要的是可以将激光能量输入体内脏器中,对病变组织进行照射,也即加以切除,起到手术刀的作用。而且,用激光刀切割,伤口能自动止血,不需要结扎出血点,大大缩短了手术时间,伤口也不会发炎。如果用激光刀切除恶性肿瘤,还可以防止癌细胞扩散呢。

(5)激光武器

    激光导弹在海湾战争中,以美国为首的多国部队向伊拉克境内发动大规模空袭,摧毁伊拉克的许多重要军事目标。最后,这场战争以伊拉克的失败而告终。有人说,海湾战争是一场先进武器的较量,这话确有道理。

    美国的飞机上装有激光瞄准器,它能发射出红外激光。当一架担任侦察任务的飞机在空中发现地面目标时,就边在空中盘旋,边用激光瞄准器不断地向目标发射激光束。这种激光束实际上起着向导的作用。这时,担任攻击任务的另一些飞机就随后飞来,向目标扔下激光制导导弹。这些激光制导导弹上装有自动跟踪系统。这种自动跟踪系统等于导弹的眼睛,当导弹扑向目标时,它能根据从目标上反射回来的向导激光,不断地修正飞行中的航向,从而准确无误地击中目标。

    其实,这类激光制导导弹,早在70年代,美国在越南战场上就使用过。现在不仅有空对地导弹,而且有地对地、空对空、地对空等多种激光导弹。

    今天,人们已能够将无线电搜索雷达、激光雷达结合起来,组成作战系统。比如,当无线电雷达发现空中目标(敌机或导弹)后,就可以将目标的高度、方位和速度准确测量出来。只要目标进入一定范围内,激光雷达就会开启,发射出一束很细的激光束,紧紧盯住并精确测量出目标的位置,然后发射的激光导弹,会根据激光雷达提供的向导激光束,准确地命中目标,将其摧毁。这类激光导弹可以方便地部署在卡车上,也可以改装成反坦克导弹。

    目前研制成的反坦克激光导弹,既可以从地面上发射,也可以从直升飞机上发射。导弹上装有半导体激光器,起着自动跟踪目标的作用,使导弹能百发百中地击中坦克。

    激光雷达虽然精度高、体积小、操作灵巧、转移方便,但它也有缺点,就是容易受到气象条件的限制,也不适于在大范围内搜索目标。因此,它一般都与无线电雷达配合使用,互相取长补短。

    激光枪和激光炮所谓激光枪和激光炮都属于激光战术武器。它们的外形像枪和炮,但它们发射的不是子弹和炮弹,而是激光束,使敌方人员伤亡或失明。这类枪炮的威力大小,与本身的能量和射击距离有关。现在激光枪和激光炮的有效射程还不远,所以死光的威力有限。

    但是,死光武器的前景是无法估量的。一旦激光束的能量加大、有效距离增加,那就会成为名副其实的死光。比如,用激光炮打1万米高空中的飞机,由于激光束的前进速度是每秒30万千米,因此只需三万分之一秒的时间就能击中飞机。而在这短短的瞬间,飞机在空中仅够向前移动几厘米。这样,对于死光来说,活动的飞机实际上成了死目标,必死无疑。照此计算,即使是射向几千千米外的导弹,死光也只需花几十分之一秒,而在这个瞬间内,导弹也只能够向前飞行几十米。因此,死光有充分的时间将导弹摧毁在外层空间。

    此外,激光还可以不断改变方向,对准各个目标,逐一摧毁,而且从经济上来说,制造激光炮要比制造洲际导弹便宜得多。

(以上资料来源于网络)

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