HAN’SLASER大族激光第31頁共31頁激光入門知識激光（受激輻射光）英文名Laser,即LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation的縮寫。中文意思是受激輻射光放大，這已說明了激光的產生過程。我們就從物質的結構、光的輻射和吸收來了解這一過程。激光產生原理要了解激光，我們首先應先了解一下這樣幾個概念。能級物質是由原子組成，而原子又是由原子核及電子構成。電子圍繞著原子核運動。而電子在原子中的能量不是任意的。描述微觀世界的量子力學告訴我們，這些電子會處于一些固定的“能級”，不同的能級對應于不同的電子能量，離原子核越遠的軌道能量越高。此外，不同軌道可最多容納的電子數目也不同，例如最低的軌道（也是最近原子核的軌道）最多只可容納2個電子，較高的軌道上則可容納8個電子等等。躍遷電子可以通過吸收或釋放能量從一個能級躍遷到另一個能級。例如當電子吸收了一個光子時，它便可能從一個較低的能級躍遷至一個較高的能級。同樣地，一個位于高能級的電子也會通過發射一個光子而躍遷至較低的能級。在這些過程中，電子釋放或吸收的光子能量總是與這兩能級的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。基態和激發態當原子內所有電子處于可能的最低能級時，整個原子的能量最低，我們稱原子處于基態。當一個或多個原子電子處于較高的能級時，我們稱原子處于激發態。受激吸收受激吸收就是處于低能態的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態。電子可通過吸收光子從低能級躍遷到高能級。普通常見光源的發光（如電燈、火焰、太陽等的發光）都是由于物質在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電子吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發。激發的過程是一個“受激吸收”過程。受激輻射受激輻射是指處于高能級的電子在光子的“刺激”或者“感應”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點是由受激輻射產生的光子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態。它們具有相同的頻率，相同的方向，完全無法區分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個光子變為兩個相同的光子。這意味著光被加強了，或者說光被放大了。這正是產生激光的基本過程。光子射入物質誘發電子從高能級躍遷到低能級，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相位，此波長對應于兩個能級的能量差。一個光子誘發一個原子發射一個光子，最后就變成兩個相同的光子。自發輻射是指高能級的電子在沒有外界作用下自發地遷移至低能級，并在躍遷時產生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hυ=E2-E1，即兩個能級之間的能量差。這種輻射的特點是每一個電子的躍遷是自發的、獨立進行的，其過程全無外界的影響，彼此之間也沒有關系。因此它們發出的光子的狀態是各不相同的。這樣的光相干性差，方向散亂。受激吸收和受激輻射之間的關系那么到底原子吸收外來的光子后，是表現為受激吸收呢還是受激輻射呢？在一個原子體系中，總有些原子處于高能級，有些處于低能級。而自發輻射產生的光子既可以去刺激高能級的原子使它產生受激輻射，也可能被低能級的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子體系的相互作用中，自發輻射、受激輻射和受激吸收總是同時存在的。如果想獲得越來越強的光，也就是說產生越來越多的光子，就必須要使受激輻射產生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎樣才能做到這一點呢？我們知道，光子對于高低能級的光子是一視同仁的。在光子作用下，高能級原子產生受激輻射的機會和低能級的原子產生受激吸收的機會是相同的。這樣，是否能得到光的放大就取決于高、低能級的原子數量之比。若位于高能態的原子遠遠多于位于低能態的原子，我們就得到被高度放大的光。但是，在通常熱平衡的原子體系中，原子數目按能級的分布服從玻爾茲曼分布規律。因此，位于高能級的原子數總是少于低能級的原子數。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。粒子數反轉一個誘發光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當處在高能級的原子數目比處在低能級的還多時，受激輻射才能超過受激吸收，而占優勢。由此可見，為使光源發射激光，而不是發出普通光的關鍵是發光原子處在高能級的數目比低能級上的多，這種情況，稱為粒子數反轉。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態）。因此，如何從技術上實現粒子數反轉則是產生激光的必要條件。那么如何才能達到粒子數反轉狀態呢？這需要利用激活媒質。所謂激活媒質(也稱為放大媒質或放大介質），就是可以使某兩個能級間呈現粒子數反轉的物質。它可以是氣體，也可以是固體或液體。用二能級的系統來做激活媒質實現粒子數反轉是不可能的。要想獲得粒子數反轉，必須使用多能級系統。波爾茲曼分布規律在通常熱平衡條件下，處于高能級E2上的原子數密度N2，遠比處于低能級的原子數密度低，這是因為處于能級E的原子數密度N的大小是隨能級E的增加而指數減小，即N∝exp(-E/kT)，這就是著名的波耳茲曼分布規律。于是在上、下兩個能級上的原子數密度比為N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}式中k為波耳茲曼常量，T為絕對溫度。因為E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氫原子基態能量為E1＝－13.6eV，第一激發態能量為E2=-3.4eV，在20℃時，kT≈0.025eV，則N2/N1∝exp（－400）≈0可見，在20℃時，全部氫原子幾乎都處于基態，要使原子發光，必須外界提供能量使原子到達激發態，所以普通廣義的發光是包含了受激吸收和自發輻射兩個過程。一般說來，這種光源所輻射光的能量是不強的，加上向四面八方發射，更使能量分散了。激光產生的過程以紅寶石激光器為例，原子首先吸收外部注入的能量，躍遷至受激態（E3）。原子處于受激態的時間非常短，大約為10－7秒后，它便會落到一個稱為亞穩態（E2）的中間狀態。原子在亞穩態的時間很長，大約是10－3秒或更長的時間。原子長時間停留在亞穩態，導致在亞穩態的原子數目多于在基態的原子數目，此時的狀態稱就是粒子數反轉。其產生的結果就導致使通過受激輻射由亞穩回到基態（E1）的原子，比通過受激吸收由基態躍遷至亞穩態的原子為多，從而保證介質內的光子可以增多，從而形成激光。這就是典型的激光三能級系統。當粒子受外界能量激勵從E1到E3，由于E3能級壽命短，很快轉移到E2上，因能級E2為亞穩態，在E2、E1間實現粒子數反轉分布。由于下能級E1為基態，通常總是積聚著大量的粒子，因此要實現粒子數反轉，必須將半數以上的基態粒子激發到E2上，所以，外界激勵就需要有相當強的能力。而我們所用的YAG激光系統屬于四能級系統。如所示，能級E1為基態，E2、E3、E4為激發態。在外界激勵的條件下，基態E1上的粒子大量被激發到E4上，又迅速轉移到E3上，E3能級為亞穩態，壽命較長。而E2能級壽命很短，E2上的粒子又很快躍遷到基態E1，所以，四能級系統中，粒子數反轉是在E3與E2間實現。也就是說，能實現粒子數反轉的激光下能級是E2，不像三能級系統那樣，為基態E1。因為E2不是基態，所以在室溫下，E2能級上的粒子數非常少。因而粒子數反轉在四能級系統比三能級系統容易實現。常見激光器中，除摻釹釔鋁石榴石（簡Nd3+:YAG）激光器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級系統激光器。需要指明，以上討論的三能級系統和四能級系統都是對激光器運轉過程中直接有關的能級而言，不是說某種物質只具有三個能級或四個能級。激光器的結構通過前面的理論知識我們可以知道產生激光必需的幾個條件：1、激光工作介質激光的產生必須選擇合適的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體。關鍵是能在這種介質中實現粒子數反轉，以獲得產生激光的必要條件。顯然，亞穩態能級的存在，對實現粒子數反轉是非常有利的。2、激勵源為了使工作介質中出現粒子數反轉，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發介質原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數比下能級多。3、諧振腔有了合適的工作物質和激勵源后，可實現粒子數反轉，但這樣產生的受激輻射強度很弱，無法實際應用。還需要將輻射的光進行放大，于是人們就想到了用光學諧振腔進行放大。所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未達到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達到一定能量限度的光子則透射而出。這樣，透射而出的這部分光子就成為我們需要的，經過放大了的激光；而被反射回工作介質的光，則繼續誘發新一輪的受激輻射，光將逐漸被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，產生強烈的激光，直到能量達到一定的限度，從部分反射鏡片中輸出。下面以紅寶石激光器為例來說明激光的形成。工作物質是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價鉻離子的三氧化二鋁晶體。實際是摻入質量比約為0.05%的氧化鉻。由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍光，所以寶石呈粉紅色。1960年梅曼發明的激光器所采用的紅寶石是一根直徑0.8cm、長約8cm的圓棒。兩端面是一對平行平面鏡，一端鍍上全反射膜，一端有10%的透射率，可讓激光透出。紅寶石激光器中，用高壓氙燈作“泵浦”，利用氙燈所發出的強光激發鉻離子到達激發態E3，被抽運到E3上的電子很快（～10－8s）通過無輻射躍遷到E2。E2是亞穩態能級，E2到E1的自發輻射幾率很小，壽命長達10-3s，即允許粒子停留較長時間。于是，粒子就在E2上積聚起來，實現E2和E1兩能級上的粒子數反轉。從E2到E1受激發射的波長是694.3nm的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一個光脈沖的持續時間不到1ms，每個光脈沖能量在10J以上；也就是說，每個脈沖激光的功率可超過10kW的數量級。注意到上述鉻離子從激發到發出激光的過程中涉及到三條能級，故稱為三能級系統。由于在三能級系統中，下能級E1是基態，通常情況下積聚大量原子，所以要達到粒子數反轉，要有相當強的激勵才行。激光器的種類對激光器有不同的分類方法，一般按工作介質的不同來分類，在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器。另外，根據激光輸出方式的不同又可分為連續激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，還可以按發光的頻率和發光功率大小分類。1、固體激光器一般講，固體激光器具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率大的特點。這種激光器的工作介質是在作為基質材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續功率可達100W以上，脈沖峰值功率可達109W。2、氣體激光器氣體激光器具有結構簡單、造價低；操作方便；工作介質均勻，光束質量好；以及能長時間較穩定地連續工作的有點。這也是目前品種最多、應用廣泛的一類激光器，占有市場達60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一種。3、半導體激光器半導體激光器是以半導體材料作為工作介質的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，發射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵方式有光泵浦、電激勵等。這種激光器體積小、質量輕、壽命長、結構簡單而堅固，特別適于在飛機、車輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術的發展大大推動了半導體激光器的發展。4、液體激光器常用的是染料激光器，采用有機染料最為工作介質。大多數情況是把有機染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光（在可見光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復雜。輸出波長連續可調，且覆蓋面寬是它的優點，使它也得到廣泛應用。激光的特點：1.相干性好：一個幾十瓦的電燈泡，只能用作普通照明。如果把它的能量集中到1m直徑的小球內，就可以得到很高的光功率密度，用這個能量能把鋼板打穿。然而，普通光源的光是向四面八方發射的，光能無法高度集中。普通光源上不同點發出的光在不同方向上、不同時間里都是雜亂無章的，經過透鏡后也不可能會聚在一點上。激光與普通光相比則大不相同。因為它的頻率很單純，從激光器發出的光就可以步調一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來，這就叫相干性高。一臺巨脈沖紅寶石激光器的亮度可達1015w/cm2·sr，比太陽表面的亮度還高若干倍。2.方向性強激光的方向性比現在所有的其他光源都好得多，它幾乎是一束平行線。如果把激光發射到月球上去，歷經38.4萬公里的路程后，也只有一個直徑為2km左右的光斑。3.單色性好：受激輻射光（激光）是原子在發生受激輻射時釋放出來的光，其頻率組成范圍非常狹窄，通俗一點講，就是受激輻射光單色性非常好，激光的“顏色”非常的純（不同顏色，實際就是不同頻率）。激光的單色性是實現激光加工的重要因素。我們可以通過簡單的物理實驗來說明這個問題。我們使用三棱鏡，可以將一束太陽光分解成七色光譜帶，其原理是日光其實是多種波長的光混合在一起的復色光，不同波長的光透過同一介質時，由于在介質中折射率的不同，使各色光的傳播方向發生不同程度的偏折，因而在離開棱鏡時就各自分散，形成光譜帶。同理，如果我們使用凸透鏡將太陽光進行會聚的時候，由于日光是復色光，因此，會聚后的日光雖然也能夠會聚在一個小區域上，但是其所謂的焦點也是由很多單色光會聚后組成的焦點帶，并不是真正匯聚在一點上，因此，其聚焦區域的能量密度實際上并不大。而激光為單色光，聚焦后的焦點尺寸非常小，因此，可以達到很高的能量密度。凸透鏡可以將日光聚集在一點而點燃火柴，如果我們把單色性極好的激光進行會聚，如果能量足夠，就可以實現激光加工。典型燈泵浦YAG激光器原理：在一個截面為橢圓形的腔體內，兩個焦點上分別放置激光棒和氪燈，在一個焦點上（氪燈）發出一定波長的光，經過反射腔體內壁的反射，會聚在腔體的另一個焦點上（激光棒），使工作物質里的粒子受到激發，粒子受激吸收后，處于低能態的原子由于吸收了外界輻射而發生能級躍遷，繼而釋放出激光，產生的激光在全反射鏡片和部分反射鏡片之間進行來回振蕩，當能量達到一定值時，就可以從部分反射鏡片透過，這就實現了激光的輸出。原理圖如下：聲光Q開關聲光Q開關是利用聲光相互作用以控制光腔損耗的Q開關技術。聲光調Q是通過電聲轉換形成超聲波使調制介質折射率發生周期性變化,對入射光起衍射作用,使之發生衍射損耗,Q值下降,激光振蕩不能形成。在光泵激勵下其上能級反轉粒子數不斷積累并達到飽和值,之后突然撤除超聲場,衍射效應立即消失,腔內Q值猛增,激光振蕩迅速恢復,其能量以巨脈沖形式輸出。這是一種廣泛應用的Q開關方式，其主要優點是重復頻率高，性能穩定可靠。典型的聲光Q開關主要由三部分組成：電聲轉換器、聲光介質和吸聲材料。電聲換能器與聲光介質如熔石英、鉬酸鉛（PbMO4）晶體等構成聲光器件。電聲換能器加電后，將超聲波饋入聲光材料，聲波是疏密波，聲光材料的折射率發生周期變化，對相對聲波方向以某一角度傳播的光波來說，相當于一個相位光柵。于是，在超聲場中光波發生衍射，改變傳播方向，這就是聲光衍射效應。將聲光器件置于光腔內構成聲光Q開關激光器。在最初施加聲場時，腔內光束將偏折出光腔，相當Q開關關閉，光腔損耗呈低Q狀態，不能形成振蕩。當反轉粒子數積累到最大值時，突然撤去聲場，光束不發生偏折順利通過聲光介質，相當于Q開關打開，光腔呈低損耗高Q狀態。形成激光巨脈沖輸出，如果用一定頻率的脈沖調制器調制射頻發生器，使聲光介質中有相同重復頻率的射頻超聲場時，就能獲得重復頻率工作的聲光Q開關，激光器將以重復頻率狀態輸出激光巨脈沖。高斯光束介紹通常情形，激光諧振腔發出的基模輻射場，其橫截面的振幅分布遵守高斯函數，故稱高斯光束。大家經常問到關于光斑大小的問題，其實問的就是光斑的束腰直徑或束腰半徑。束腰，是指高斯光絕對平行傳輸的地方。半徑，是指在高斯光的橫截面考察，以最大振幅處為原點，振幅下降到原點處的0.36788倍，也就是1/e倍的地方，由于高斯光關于原點對稱，所以1/e的地方形成一個圓，該圓的半徑，就是光斑在此橫截面的半徑；如果取束腰處的橫截面來考察，此時的半徑，即是束腰半徑。沿著光斑前進，各處的半徑的包絡線是一個雙曲面，該雙曲面有漸近線。高斯光束的傳輸特性，是在遠處沿傳播方向成特定角度擴散，該角度即是光束的遠場發散角，也就是一對漸近線的夾角，它與波長成正比，與其束腰半徑成反比，計算式是：2*λ/（π*w），故而，束腰半徑越小，光斑發散越快；束腰半徑越大，光斑發散越慢。光斑描述如下圖：由上面基橫模高斯光束特性，不難驗證，基模高斯光束光腰半徑及遠場發散角的乘積為常量：λ/π。所以使用聚焦或準直來減小光腰半徑或壓縮遠場發散角，該乘積不變，這就是光參量乘積。對于高階厄米－高斯光束，該乘積為：M2*λ/π,所以我們也可以用M2因子來衡量光束質量。激光發展簡史自愛因斯坦1917年提出受激輻射概念后，足足經過了40年，直到1958年，美國兩位微波領域的科學家湯斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw)才打破了沉寂的局面，發表了著名論文《紅外與光學激射器》，指出了受激輻射為主的發光的可能性，以及必要條件事實現“粒子數反轉”。他們的論文史在光學領域工作的科學家馬上興奮起來，紛紛提出各種實現粒子數反轉的實驗方案，從此開辟了嶄新的激光研究領域。同年蘇聯科學家巴索夫和普羅霍羅夫發表了《實現三能級粒子數反轉和半導體激光器建議》論文，1959年9月湯斯又提出了制造紅寶石激光器的建議……1960年5月15日加州休斯實驗室的梅曼（T.H.Maiman）制成了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了波長為694.3nm的激光。梅曼是利用紅寶石進體做發光材料，用發光密度很高的脈沖氙燈做激發光源，實際他的研究早在1957年就開始了，多年的努力終于產生了歷史上第一束激光。1964年，湯斯、巴索夫和普羅霍夫由于對激光研究的貢獻分享了諾貝爾物理學獎。激光的科普知識1960年7月，西奧多·梅曼在加利福尼亞的休斯空軍試驗室第一次制得了人造激光。這束僅持續了3億分之一秒的紅色激光標志著人類文明史上一個新時刻的來臨。梅曼的激光器使用的激活媒質是一個4厘米長的圓柱形紅寶石棒。在紅寶石棒上纏有閃光玻璃管以便讓晶體受光線照耀。這種紅寶石的主要成份是混有鉻離子的氧化鋁。當鉻離子被強烈的普通光激發時，就產生了粒子數反轉。這樣在諧振腔的作用下就獲得了第一束人造激光。激光器的發現過程并不是一帆風順的。雖然湯斯和費羅早在1957年就提出了激光器的基本理論，但是在實際建造中還有許多困難，對激光的性質和作用都還沒有清楚的認識。在梅曼開始建造他的紅寶石激光器之前，有人斷言紅寶石絕不是制造激光的好材料，而費羅也支持這種觀點。這使得很多人中止了用紅寶石來制造激光的嘗試，但梅曼卻懷疑這個說法。為此，他花了一年的時間專門測量和研究紅寶石的性質，終于發現上述論斷所依據的基礎是錯誤的，而紅寶石確是制造激光器的好材料。從此他著手建造那個世界上第一臺激光器。他的準備工作十分地詳細完備，在第一次試驗時，當按鈕按下時，第一束人造激光就產生了。在梅曼成功之后不久，氦氖激光器也試驗成功。這一系列的成功使實力雄厚的貝爾實驗室也投入到激光器的研究之中，而其資金和人力資源又迅速推動著研究工作的進展。自從1960年以來，激光家族有著迅猛的增長。現在有各種不同形狀不同大小的各種各樣的激光器，可以產生出不同功率、不同波長的激光。這些激光的范圍包含從紅外到紫外以至X射線的所有區域。可以有兩種方法對激光器進行分類。一．從激活媒質的物質狀態面分類。這樣可分為氣體、液體、固體和半導體激光器。各類激光器各有特色。氣體激光器的單色性強，如氦—氖激光器的單色性比普通光源要高1億倍，而且氣體激光器工作物質種類繁多，因此可產生許多不同頻率的激光。但是，由于氣體密度低，激光輸出功率相應較小；固體激光器則正好相反，能量高，輸出功率大，但工作物質種類較少，而且單色性差；液體激光器的最大特點是激光的波長可以在一定范圍內連續變換。這種激光器特別適合于對激光波長有著嚴格要求的場合；半導體激光器的特點則是體積小，重量輕，結構簡單，但輸出的功率較小，單色性也較差。二．按激活媒質的粒子結構來分類可以分為原子、離子、分子和自由電子激光器。氦—氖激光器產生的激光是由氖原子發射的，紅寶石激光器產生的激光則是由鉻離子發射的。另外還有二氧化碳分子激光器，它的頻率可以連續變化。而且可以覆蓋很寬的頻率范圍。各種激光器中激活媒質的方法也不盡相同。一般來說可分為三種方法：使用高強度的光，帶電粒子，以及較少使用的第三種方法—核輻射。激光剛剛誕生不久就被人們稱為“解決問題的工具”。科學家們一開始就意識到激光這種奇特的東西，將會像電力一樣注定要成為這個時代最重要的技術因素。迄今為止，僅僅二十多年的初步應用，激光已經對我們的生活方式產生了重大影響。激光通信使我們在地球的每一個角落里都能準確迅速地進行信息交流；激光唱盤可以使我們渴望親耳聆聽世界名曲的現場演奏幾近成真。總之，激光正實現著幾年前還令人難以置信的技術奇跡。從工業生產到醫學，從電訊通信到戰爭機器，科學和技術正運用激光來解決一個又一個的難題。激光廣泛應用的基礎在于它的特性。激光單色性好，又可在一個狹小的方向內有集中的高能量，因此利用聚焦后的激光束可以對各種材料進行打孔。這是令人驚奇的。從紅寶石激光器中輸出脈沖的總能量煮不熟一個雞蛋，但卻能在3毫米的鋼板上鉆出一個孔。為什么激光這么神奇呢？關鍵不是光的能量，而在于其功率。激光的功率是很高的，這也是它多方面被應用的基礎。在激光出現之前，只能用硬度較大的物質在硬度較小的物質上打孔。這樣要在硬度最大的金剛石上打孔，就成了極其困難的事。激光出現后，這一類的操作既快又安全。用激光來切割鋼板也是又快又省事。現代的激光成了人們所幻想追求的“削鐵如泥”的“寶劍”。激光還可用于焊接，用比切割金屬時功率較小的激光束，使材料熔化而不使其氣化，在冷卻后成為一塊連續的固體結構。激光在電子工業中也得到廣泛應用。可以用它來進行微型儀器的精密加工，可以對脆弱易碎的半導體材料進行精細的劃片，也可以用來調整微型電阻的阻值。隨著激光器性能的改善和新型激光器的出現，激光在超大規模集成電路方面的應用已經成為許多其他工藝所無法取代的關鍵性技藝，為超大規模集成電路的發展展現出令人鼓舞的前景。激光的出現引發了印刷工業中的一場革命。現代社會中，信息的作用越來越重要。誰掌握的信息越迅速、越準確、越豐富，誰也就更加掌握了主動權，也就有更多成功的機會。因此在信息傳播中，加快印刷速度，縮短出版周期也就有了相當重要的意義。現在已經得到廣泛應用的激光照排技術就是一項重大的革命。激光照排是將文字通過計算機分解為點陣，然后控制激光在感光底片上掃描，用曝光點的點陣組成文字和圖像。現在我國已廣泛應用的漢字排版技術就采用了激光照排，它比古老的鉛字排版工效至少提高5倍。一般照相機照出的照片都是平面的，沒有立體感。用物理術語來說，得到的僅是二維圖像，很多信息都失去了。當激光出現后，人類才第一次得到了全息照片。所謂全息照片就是記錄了景物的全部信息的照片。全息照片不用一般的照相機，而要用一臺激光器。激光束用分光鏡一分為二，其中一束照到被拍攝的景物上，稱為物光束；另一束直接照到感光膠片即全息干板上，稱為參考光束。物光束被物體反射后，其反射光束也照射在膠片上，就完成了全息照相的攝制過程。全息照片和普通照片截然不同。用肉眼去看，全息照片上只有些亂七八糟的條紋。可是若用一束激光去照射該照片，眼前就會出現逼真的立體景物。更奇妙的是，從不同的角度去觀察，就可以看到來物體的不同側面。而且，如果不小心把全息照片弄碎了，那也沒有關系。隨意拿起其中的一小塊碎片，用同樣的方法觀察，原來的被攝物體仍然能完整無缺地顯示出來。全息照相的原理是利用光的干涉原理，利用兩束光的干涉來記錄被攝物體的信息。這個理論很早就有人提出過，但只有激光才能達到它所要求的高度單色性。因此，只有在激光器誕生以后人們才實現了這一夢想。激光大顯身手的另一領域是醫學。在外科手術中它不僅可以作為激光刀使用，而且在眼科、牙科、皮膚科與整容各方面都有獨到的應用。激光刀的妙處在于它切割的同時也進行了灼燒，這恰好封閉血管防止其出血，也減少了感染的危險。用激光對牙齒進行無痛鉆孔和去牙蛀，使人們對以前望而生畏的牙科手術大感輕松。相比以前的機械打孔，激光鉆孔不僅不會產生大量的摩擦熱，而且其所蒸發掉的只是被腐蝕處的黑色牙區，不會對健康的牙組織產生影響，從而疼痛感會大大減輕。激光在眼科上的應用是最令人嘆為觀止的。激光可以焊接脫開的視網膜，封閉破漏的血管，徹底摧毀飄浮在眼中凍膠狀液體中的微小的沙粒(使其氣化)。激光手術的優點是不需要切開眼睛就能完成手術，而且手術的疼痛感大為緩和。對于目前的不治之癥——癌癥，激光也提供了有效的武器。一方面，激光可以用作激光刀來切除腫瘤；另一方面，在癌癥的早期診斷方面也卓有成效。癌癥的早期診斷對于其治療有著決定性意義。借助于激光能準確地確定腫瘤細胞和正常細胞，同時也提供了一個新的治療途徑。借助于一些特殊的化學物質，采用激光化療法，能使這些特殊物質在激光作用下殺死腫瘤細胞，從而達到治療癌癥的目的。通訊設施是人類社會生活，尤其是現代社會生活必不可少的。激光的發明使通訊進入一個新天地。原來的電磁通訊技術容量小，保密性差，越來越不能滿足社會發展的要求。電話之父貝爾早在1880年就有過光電話的設想，但由于普通光受云、雨、霧所阻礙，實驗失敗了。激光發明后，結合另一發明光導纖維，光通訊重獲新生并得到迅速應用。光導纖維的概念可以回溯到1870年。英國科學家約翰·廷德爾使用有反射表面的管子，讓光以曲折的“之”字形方式輸送。如果用玻璃管，那么從一端射入的光將會從另一端射出，即使玻璃管彎曲多次結果仍然不變。其中奧妙在于光的全反射現象：當光在玻璃管內以某種角度射向玻璃和空氣的界面時會全部反射回玻璃內。因此在光的傳送過程中沒有能量的損失，現代光導纖維應用了同樣原理。柔軟的高純度的玻璃纖維比頭發絲還細，但卻比同直徑的鋼絲強度還高。光在光導纖維內沿之字形傳播，因此光導纖維彎曲后也不影響其傳播。激光通訊與無線電通訊相比，激光通訊保密性好，在軍事通訊中應用十分廣泛。另外，在空間通訊領域，選取不被大氣吸收的波長的激光可以克服無線電通訊的一些局限。可是由于激光光束在大氣層里傳播時會受到大氣中微粒的吸收或散射，從而使激光通訊的距離受到限制。這使得目前的激光通訊只能作為無線電通訊的一個有效補充，但還不能夠取而代之。很久以前，有人幻想一種“死光武器”的出現。在古希臘，阿基米德利用巨大的反光聚焦鏡摧毀了入侵者的兵艦，但那時的船還是由木頭做的。現代的激光讓人們有可能實現古代的夢想，制造出可以摧毀一切的激光武器。美國現在全力研制的“星球大戰”防衛體系，其所依賴的重要一環就是用激光束來擊毀入侵的導彈。可以設想，一枚載著核彈頭的導彈在強激光的照射下會迅速化為一陣煙霧消散在空中，這該是多么奇妙的事。用激光作為“死光”武器，不能像在激光加工中那樣借助于透鏡聚焦，而必須大大提高激光器的輸出功率。目前的激光武器有兩種，一種是戰術武器，也就是像常規武器那樣直接殺傷敵方人員、擊毀坦克、飛機等。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。另一種是戰略武器，用于對付敵方的遠程導彈、軍事衛星等空間武器。研究戰略武器的關鍵是制造大功率高能量的激光器，其能量和功率足以摧毀導彈和衛星。目前，已經進行了這類實驗并獲得成功，但其成果是保密的。激光測距儀是激光在軍事上應用的起點。60年代的越南戰爭和中東戰爭首先將其應用到火炮系統，大大提高了火炮射擊精度。雷達是二戰中的產物，而激光雷達又給雷達發展指示新方向。相比于無線電雷達，由于激光發散角小，方向性好，因此其測量精度大幅度提高。由于同樣的原因，激光雷達不存在“盲區”，因此尤其適宜于對導彈初始階段的跟蹤測量。但由于大氣的影響，激光雷達并不適宜在大范圍內搜索，還只能作為無線電雷達的有力補足。此外，還有精確的激光制導導彈，以及模擬戰場上使用的激光武器技術運用。在激光實戰演習的戰場上，酷似實際戰爭場面。那里，炮聲隆隆，硝煙彌漫，演習的雙方互相射擊，不時有傷員退出戰常為什么會這樣呢？原因并不復雜。像一支激光步槍，每發射一次就射出一束激光。而演習雙方戰士的身上都有光電接收器和發聲裝置。如果某束光射中一名士兵，則通過其隨身的計算機分析會得出“死亡”、“受傷”和“喪失戰斗能力”等結論，并同時發出聲音和煙霧。激光模擬實戰演習大大節約了演習費用，而又逼真地表現了戰爭氣氛，確保人員生命安全，因此廣為各國軍隊歡迎。激光技術是高科技的產物，其產生又推動了科學研究的深入發展，并開拓出許多新的學科領域，如非線性光學、激光光譜學、激光化學、激光生物學等。激光被用來研究與生命密切相關的光合作用、血紅蛋白、DNA等的機制。激光還將成為時間和長度的新標準，以后任何高精度的鐘表和米尺都可以用某一特定波長的激光束來標定。激光在核能應用上也將大顯身手。樂觀的專家們估計，到2020年強大的激光會產生安全經濟的熱核聚變，這類似恒星內部的核反應過程。如果實現，熱核聚變將帶來巨大無比的社會和經濟效益，能源危機亦將不復存在。到那時，一桶水中的氫聚變后所產生的電力足夠一個城市使用。激光從誕生到目前只有短短的一段歷史。由愛因斯坦受激輻射理論的提出，到戰后科學技術水平的迅速提高，使得技術條件日趨成熟，從而在1954年由美國物理學家湯斯首先制造出第一臺氨微波激射器。同時，提出激光理論的還有蘇聯的巴索夫和普羅霍洛夫。這三人共同分享了1964年的諾貝爾物理學獎。目前，激光技術已經融入我們的日常生活之中了。在未來的歲月中，激光會帶給我們更多的奇跡。激光的工業應用激光因具有良好的單色性、相干性和極佳的平行度三大特點，特別適用于材料加工。激光加工是激光應用最有發展前途的領域，現在已開發出20多種激光加工技術。激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已成為企業實行適時生產的關鍵技術，為優質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。目前已成熟的激光加工技術包括：激光快速成形技術、激光焊接技術、激光打孔技術、激光切割技術、激光打標技術、激光去重平衡技術、激光蝕刻技術、激光微調技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、激光熱處理和表面處理技術。激光快速成形技術集成了激光技術、CAD/CAM技術和材料技術的最新成果，根據零件的CAD模型，用激光束將光敏聚合材料逐層固化，精確堆積成樣件，不需要模具和刀具即可快速精確地制造形狀復雜的零件，該技術已在航空航天、電子、汽車等工業領域得到廣泛應用。激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。脈沖激光適用于金屬材料，連續激光適用于非金屬材料，后者是激光切割技術的重要應用領域。現代的激光成了人們所幻想追求的“削鐵如泥”的“寶劍”。激光焊接技術具有溶池凈化效應，能純凈焊縫金屬，適用于相同和不同金屬材料間的焊接。激光焊接能量密度高，對高熔點、高反射率、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。激光焊接，用比切割金屬時功率較小的激光束，使材料熔化而不使其氣化，在冷卻后成為一塊連續的固體結構。激光打孔技術具有精度高、通用性強、效率高、成本低和綜合技術經濟效益顯著等優點，已成為現代制造領域的關鍵技術之一。在激光出現之前，只能用硬度較大的物質在硬度較小的物質上打孔。這樣要在硬度最大的金剛石上打孔，就成了極其困難的事。激光出現后，這一類的操作既快又安全。但是，激光鉆出的孔是圓錐形的，而不是機械鉆孔的圓柱形，這在有些地方是很不方便的。激光打標技術是激光加工最大的應用領域之一。激光打標是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種打標方法。激光打標可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級，這對產品的防偽有特殊的意義。準分子激光打標是近年來發展起來的一項新技術，特別適用于金屬打標，可實現亞微米打標，已廣泛用于微電子工業和生物工程。激光去重平衡技術是用激光去掉高速旋轉部件上不平衡的過重部分，使慣性軸與旋轉軸重合，以達到動平衡的過程。激光去重平衡技術具有測量和去重兩大功能，可同時進行不平衡的測量和校正，效率大大提高，在陀螺制造領域有廣闊的應用前景。對于高精度轉子，激光動平衡可成倍提高平衡精度，其質量偏心值的平衡精度可達1%或千分之幾微米。激光蝕刻技