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學術論文

激光——人類創造的神奇之光

rongpuiwing 來源:互聯網2019-01-24 我要評論(0 )   

激光的最初中文名叫做“鐳射”、“萊塞”,是它的英文名稱LASER的音譯,是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission

激光的最初中文名叫做“鐳射”、“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的各單詞的頭一個(ge) 字母組成的縮寫(xie) 詞。意思是“受激輻射的光放大”。激光的英文全名已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“光受激發射”改稱“激光”。


激光是20世紀以來,繼原子能、計算機、半導體(ti) 之後,人類的又一重大發明,被稱為(wei) “最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的原理早在 1916 年已被著名的物理學家愛因斯坦發現,但要直到 1958 年激光才被首次成功製造。激光是在有理論準備和生產(chan) 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(jin) 使古老的光學科學和光學技術獲得了新生,而且導致整個(ge) 一門新興(xing) 產(chan) 業(ye) 的出現。激光可使人們(men) 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(cong) 而促進了生產(chan) 力的發展


激光的產(chan) 生原理:

受激輻射基於(yu) 偉(wei) 大的科學家愛因斯坦在1916年提出的一套全新的理論。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)分布在不同的能級上,在高能級上的粒子受到某種光子的激發,會(hui) 從(cong) 高能級跳到(躍遷)到低能級上,這時將會(hui) 輻射出與(yu) 激發它的光相同性質的光,而且在某種狀態下,能出現一個(ge) 弱光激發出一個(ge) 強光的現象。這就叫做“受激輻射的光放大”, 一段激活物質就是一個(ge) 激光放大器。


激光的特點:

(一)定向發光

普通光源是向四麵八方發光。要讓發射的光朝一個(ge) 方向傳(chuan) 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,使輻射光匯集起來向一個(ge) 方向射出。激光器發射的激光,天生就是朝一個(ge) 方向射出,光束的發散度極小,大約隻有0.001弧度,接近平行。1962年,人類第一次使用激光照射月球,地球離月球的距離約38萬(wan) 公裏,但激光在月球表麵的光斑不到兩(liang) 公裏。若以聚光效果很好,看似平行的探照燈光柱射向月球,按照其光斑直徑將覆蓋整個(ge) 月球。

(二)亮度極高

在激光發明前,人工光源中高壓脈衝(chong) 氙燈的亮度最高,與(yu) 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(yi) 倍。因為(wei) 激光的亮度極高,所以能夠照亮遠距離的物體(ti) 。紅寶石激光器發射的光束在月球上產(chan) 生的照度約為(wei) 0.02勒克斯(光照度的單位),顏色鮮紅,激光光斑明顯可見。若用功率最強的探照燈照射月球,產(chan) 生的照度隻有約一萬(wan) 億(yi) 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(ge) 極小的空間範圍內(nei) 射出,能量密度自然極高。

(三)顏色極純

光的顏色由光的波長(或頻率)決(jue) 定。一定的波長對應一定的顏色。太陽光的波長分布範圍約在0.76微米至0.4微米之間,對應的顏色從(cong) 紅色到紫色共7種顏色,所以太陽光談不上單色性。發射單種顏色光的光源稱為(wei) 單色光源,它發射的光波波長單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源,隻發射某一種顏色的光。單色光源的光波波長雖然單一,但仍有一定的分布範圍。如氪燈隻發射紅光,單色性很好,被譽為(wei) 單色性之冠,波長分布的範圍仍有0.00001納米,因此氪燈發出的紅光,若仔細辨認仍包含有幾十種紅色。由此可見,光輻射的波長分布區間越窄,單色性越好。

激光器輸出的光,波長分布範圍非常窄,因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例,其光的波長分布範圍可以窄到2×10-9納米,是氪燈發射的紅光波長分布範圍的萬分之二。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=hγ來計算的,其中h為(wei) 普朗克常量,γ為(wei) 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.

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,一般隻有一個點),短時間裏聚集起大量的能量,用做武器也就可以理解了。

目前激光技術及其應用研究內(nei) 容包括:

⑴超快超強激光:超快超強激光主要以飛秒激光的研究與(yu) 應用為(wei) 主,作為(wei) 一種獨特的科學研究的工具和手段,飛秒激光的主要應用可以概括為(wei) 三個(ge) 方麵,即飛秒激光在超快領域內(nei) 的應用、在超強領域內(nei) 的應用和在超微細加工中的應用。其中飛秒激光超微細加工是當今世界激光、光電子行業(ye) 中的一個(ge) 極為(wei) 引人注目的前沿研究方向。


⑵新型激光器研究:激光測距儀(yi) 是激光在軍(jun) 事上應用的起點,將其應用到火炮係統,大大提高了火炮射擊精度。激光雷達相比於(yu) 無線電雷達,由於(yu) 激光發散角小,方向性好,因此其測量精度大幅度提高。由於(yu) 同樣的原因,激光雷達不存在"盲區",因此尤其適宜於(yu) 對導彈初始階段的跟蹤測量。但由於(yu) 大氣的影響,激光雷達並不適宜在大範圍內(nei) 搜索,還隻能作為(wei) 無線電雷達的有力補足。


⑶激光醫療:激光在醫學上的應用分為(wei) 兩(liang) 大類:激光診斷與(yu) 激光治療,前者是以激光作為(wei) 信息載體(ti) ,後者則以激光作為(wei) 能量載體(ti) 。多年來,激光技術已成為(wei) 臨(lin) 床治療的有效手段,也成為(wei) 發展醫學診斷的關(guan) 鍵技術。它解決(jue) 了醫學中的許多難題,為(wei) 醫學的發展做出了貢獻。現在,在基礎研究、新技術開發以及新設備研製和生產(chan) 等諸多方麵都保持持續的、強勁的發展勢頭。


⑷激光化學:激光化學的應用非常廣泛。製藥工業(ye) 是第一個(ge) 得益的領域。應用激光化學技術,不僅(jin) 能加速藥物的合成,而又可把不需要的副產(chan) 品剔在一旁,使得某些藥物變得更安全可靠,價(jia) 格也可降低一些。又如,利用激光控製半導體(ti) ,就可改進新的光學開關(guan) ,從(cong) 而改進電腦和通信係統。激光化學雖然尚處於(yu) 起步階段,但其前景十分光明。


目前全球業(ye) 界公認的發展最快的、應用日趨廣泛的最重要的高新技術就是光電技術。而在光電技術中,其基礎技術之一就是激光技術。21世紀的激光技術與(yu) 產(chan) 業(ye) 的發展將支撐並推進高速、寬帶、海量的光通信以及網絡通信,並將引發一場照明技術革命,小巧、可靠、壽命長、節能半導體(ti) (LED)將主導市場。光電技術將繼微電子技術之後再次推動人類科學技術的革命和進步,激光產(chan) 品已成為(wei) 現代武器的"眼睛"和"神經"。激光的研究必將對相關(guan) 領域進步起到巨大推動作用。

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