激光产生与发展

                                激光
    自从六十年代初发明激光器和观察到激光现象以来,激光原理、技术、应用等都获得蓬勃的发展。对基础科学、生命科学、信息科技、军事技术、能源技术,先进制造机器,工农业的发展都已起着很大影响,预期对二十一世纪的科学与技术,国民经济与国防的发展,都将发挥越来愈重要的作用。
本文将就激光的形成与发展作一简要阐述。
    激光是20世纪以来,继原子能计算机半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。
    激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现,但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的,它一问世,就获得了异乎寻常的飞快发展,激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生,而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段,去获得空前的效益和成果,从而促进了生产力的发展。
    激光的理论基础起源于大物理学家‘爱因斯坦’,1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘光与物质相互作用’。这一理论是说在组成物质的原子中,有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,在高能级上的粒子受到某种光子的激发,会从高能级跳到(跃迁)到低能级上,这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光,而且在某种状态下,能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”,简称激光。   
 
      激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”,是它的英文名称LASER的音译,是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
    在过去的几十年里,激光正在一步一步的成长。
    1917年:爱因斯坦提出“受激发射”理论,一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。   1953年:美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身:微波受激发射放大(英文首字母缩写maser) 
1957年:Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词,从理论上指出可以用光激发原子,产生一束相干光束,之后人们为其申请了专利,相关法律纠纷维持了近30年。  1960年:美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光              1961年:激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。 
 1962年:发明半导体二极管激光器,这是今天小型商用激光器的支柱。 
 1969年:激光用于遥感勘测,激光被射向11号放在月球表面的反射器,测得的地月距离误差在几米范围内。   
  1971年:激光进入艺术世界,用于舞台光影效果,以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。 
 1974年:第一个超市条形码扫描器出现 
 1975年:IBM投放第一台商用激光打印机   
  1978年:飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机,不过价格很高   
  1982年:第一台紧凑碟片(CD)播放机出现,第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。   
  1983年:里根总统发表了“星球大战”的演讲,描绘了基于太空的激光武器 
 1988年:北美和欧洲间架设了第一根光纤,用光脉冲来传输数据。 
 1990年:激光用于制造业,包括集成电路和汽车制造   
  1991年:第一次用激光近视,海湾战争中第一次用激光制导导弹。 
 1996年:东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器 
 2008年:法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术了脑瘤   
  2010年:美国国家核安全管理局(NNSA)表示,通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素(质量数2)和(质量数3),解决了核聚变的一个关键困难。
    现在对激光的运用已经非常的广泛了,比如激光加工技术,它是利用激光束与物质相互作
用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源,识别物体等的一门技术,传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术 。 
    激光焊接:汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器,CO2激光器和半导体泵浦激光器。   
激光切割:汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。 
激光打标:在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用,目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。   
  激光打孔:激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔
的迅速发展,主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主,也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。 
激光热处理:在汽车工业中应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理,同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器,CO2激光器为主。     
激光快速成型:将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。   
激光涂敷:在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。   
激光成像:利用激光束扫描物体,将反射光束反射回来,得到的排布顺序不同而成像。用图
像落差来反映所成的像。激光成像具有超视距的探测能力,可用于卫星激光扫描成像,未来用于遥感测绘等科技领域。
激光在医学上的应用主要分三类:激光生命科学研究、激光诊断、激光,其中激光又分为:激光手术、弱激光生物刺激作用的非手术和激光的光动力。   
    激光外科开创了医学美容的新纪元,且在美容界的用途越来越广泛。激光是通过产生高能量,聚焦精确,具有一定穿透力的单光,作用于人体组织而在局部产生高热量从而达到去除或破坏目标组织的目的,过程中几乎不出血,不伤及周围组织。其效果得到国际医学整形美容界充分肯定,被誉为“开创了医学美容新纪元”。各种不同波长的脉冲激光可各种血管性皮肤病及素沉着,如太田痣鲜红斑痣雀斑老年斑毛细血管扩张等,以及去纹身、洗眼线、洗眉、瘢痕等;而近年来一些新型的激光仪,高能超脉冲CO2激光,铒激光进行除皱磨皮换肤、打鼾,美白牙齿等等,取得了良好的疗效,为激光外科开辟越来越广阔的领域.。
 
激光去黑痣的原理就在于将激光在瞬间爆发出的巨大能量置于素组织中,把素打碎并分解,使其可以被巨噬细胞吞并掉,而后会随着淋巴循环系统排出体外,由此达到将素去去掉的目的。
    激光手术有传统手术无法比拟的优越性。首先激光手术不需要住院,手术切口小,术中不出血,创伤轻,无瘢痕。
    激光在血管性皮肤病以及素沉着的中成效卓越。使用脉冲染料激光鲜红斑痣,疗效显著,对周围组织损伤小,几乎不落疤。
激光器发展的40年来,人类对光及光与物质相互作用的认识有了更新的发展,过去光源的发光是自发的,无序的,原子的运动与发光是无规可寻的。激光器的发光是非自发的,发光是有序化进行,原子是被组织起、协调一致的发光,这是由输入多余能量的熵减少过程。从而对光与物质相互作用有了更高层次的了解,由线性光学发展为非线性光学、传统光学是眼的延伸,现代光学已与电子技术相结合形成光电子信息技术,甚至发展而成为产业。由于激光器中输出大量光子,光子的能量也发挥出越来愈重要的作用。在甘一世纪知识经济时代,激光对高科技的影响也将是与日俱增,估计甘一世纪激光对高科技的作用将在:(1)生命
科学,其中包括激光医学与农业应用,(2)能源科学,其中包括同位素分离。受控核反应发电、太阳能利用中发挥作用,(3)信息科技,尤其在光纤通信、计算机技术中发挥作用,(4)先进武器系统,包括战术与战略武器系统的两个方面,(5)先进制造机器、未来工业系统,将包括光、机、电、算、材的综合自动控制、智能化、灵巧机器中起关键技术作用。
此外对各学科中渗透也会广泛发生影响。

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