一文看懂激光技术

工业导航 2019-08-27 16:24:34

导语:自1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器,我国也于1961年研制成功国产首台红宝石激光器(诞生于中国科学院长春光学精密机械研究所)以来,激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。


如今,我们家中用的CD和DVD播放器,办公室的激光打印机和商场的条码扫描器都有激光。人们用激光治疗近视视力,通过光纤网络发送邮件浏览视频。无论我们是否意识到,我们每个人每天都使用激光,但是有多少人真正了解激光是什么,如何工作?


激光,是一种自然界原本不存在的,因受激而发出的,具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。



激光的产生机理可以溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说,即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程。众所周知,任何一种光源的发光都与其物质内部粒子的运动状态有关。当处于低能级上的粒子(原子、分子或离子)吸收了适当频率外来能量(光)被激发而跃迁到相应的高能级上(受激吸收)后,总是力图跃迁到较低的能级去,同时将多余的能量以光子形式释放出来。


如果光是在没有外来光子作用下自发地释放出来的(自发辐射),此时被释放的光即为普通的光(如电灯、霓虹灯等),其特点是光的频率大小、方向和步调都很不一致。


但如果是在外来光子直接作用下由高能级向低能级跃迁时将多余的能量以光子形式释放出来(受激辐射),被释放的光子则与外来的入射光子在频率、位相、传播方向等方面完全一致,这就意味着外来光得到了加强,我们称之为光放大。


图:激光产生机理:(左)受激吸收,(中)自发辐射,(右)受激发射


而激光的产生需要满足三个条件:粒子数反转、谐振腔反馈和满足阈值条件。通过受激吸收,使处于高能级的粒子数比处于低能级的越多(粒子数反转),还需要在有源区两端制作出能够反射光子的平行反射面,形成谐振腔,并使增益大于损耗,即相同时间新产生的光子数大于散射吸收掉的光子数。只有满足了这三个条件,才有可能产生激光。


激光的特性


激光之所以被誉为神奇的光,是因为它有普通光完全不具备的四大特性。



1.方向性好 ——普通光源(太阳、白炽灯或荧光灯)向四面八方发光,而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内,这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光每200千米扩散直径小于1米,若射到距地球3.8×105km的月球,光束扩散不到2千米,而普通探照灯几千米外就扩散到几十米。


激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。


2.亮度高 ——激光是当代最亮的光源,只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是1.865×109cd/m2,而一台大功率激光器的输出光亮度可以高出太阳光的亮度7~14个数量级。


尽管激光的总能量并不一定很大,但由于能量高度集中,很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度的高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术等实际应用就是利用了这一特性。


3.单色性好 ——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长,是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光以及红外光、紫外光等不可见光。


而某种激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米,其波长变化范围不到万分之一纳米。激光良好的单色性为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。


4.相干性好 ——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性,它必然会是相干性极好的光。激光的这一特性使全息照相成为现实。 


激光器的类型


在光源中,实现能级粒子数反转是实现光放大的前提,也就是产生激光的先决条件。要实现粒子数反转,需借助外来光的力量,使大量原来处于低能级的粒子跃迁到高能级上去,这个过程我们称之为“激励”。


我们通常所说的激光器,就是使光源中的粒子受到激励而产生受激辐射跃迁,实现粒子数反转,然后通过受激辐射而产生光的放大的装置。激光器虽然多种多样,但使命都是通过激励和受激辐射而获得激光。


因此激光器通常均由激活介质(即被激励后能产生粒子数反转的工作物质)、激励装置(即能使激活介质发生粒子数反转的能源,泵浦源)和光谐振腔(即能使光束在其中反复振荡和被多次放大的两块平面反射镜)三个部分组成。


图:激光器的工作原理




CO2激光器功能强大,效率高,常用于工业切割和焊接。液体染料激光器使用有机染料分子的溶液作为介质,主要优点是可用于产生比固态和气体激光器更宽的光频带,甚至可“调谐”以产生不同的频率。


按波长来分,覆盖的波长范围包括远红外、红外、可见光、紫外直到远紫外,最近还研制出X射线激光器和正在开发的γ射线光器;


按激励方式不同,有光激励(光源或紫外光激励)、气体放电激励、化学反应激励、核反应激励等;


按输出方式不同,有连续的、单脉冲的、连续脉冲的和超短脉冲等;


从功率输出的大小来看,其中连续的输出功率小至微瓦级,最大可达兆瓦级。脉冲输出的能量可从微焦耳至10万以上焦耳,脉冲宽度由毫秒级到皮秒级乃至飞秒级(1000万亿分之一)。


各式各样激光器满足不同的应用要求。如激光加工和某些军用激光都要求高功率激光或高能量激光(即所谓强激光)。有的希望脉冲时间尽量缩短,以从事某些特快过程的研究。有的还对提高光的单色性、改善输出光的模式、改善光斑的光强分布以及要求波长可调等提出了很高的要求。这些要求促使着激光器的研究者不断探索,从而使激光器的探索深度和应用广度得到前所未有的发展。






图: CD或DVD播放机中的光盘的激光和镜头。右下方的小圆是半导体激光二极管,而较大的蓝色圆圈是从激光器从光盘的光滑表面反射后读取光的透镜。





3、激光在医疗领域的应用


激光在医学上的应用分为两大类:激光诊断与激光治疗,前者是以激光作为信息载体,后者则以激光作为能量载体。


在激光诊断方面,激光可穿透到组织较深的地方进行诊断,直接反映组织病况,给医生诊断提供了充分依据。


在激光治疗方面,激光技术已成为临床治疗的有效手段,也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题,例如激光手术治疗切口小,对组织基本没有损害或损害极小,毒副作用反应少。


目前,激光临床应用领域包括近视矫正、视网膜修补、蛀牙修复、分子级微创手术等,当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面:光动力疗法治癌;激光治疗心血管疾病;准分子激光角膜成形术;激光美容术;激光纤维内窥镜手术;激光腹腔镜手术;激光胸腔镜手术;激光关节镜手术;激光碎石术;激光外科手术;激光在吻合术上的应用;激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用;弱激光疗法等。目前,激光治疗在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。


图:激光在口腔医学领域的应用


4.激光加工


利用激光的高强度(亮度)聚焦激光束在1 ms内能发射100J的光能量,聚焦起来足以使材料在短时间内融化或汽化,从而对不同特性难以加工的材料进行加工处理,如:焊接、打孔、切割、热处理、光刻等。