光电工程师社区

标题: [转帖]漫谈激光及其应用 [打印本页]

作者: 楚韵风 时间: 2003-6-22 07:02
标题: [转帖]漫谈激光及其应用
关于激光及应用的文章已经很多了，但本人见到此文比较通俗和全面的给尚未接触
或刚开始接触激光的人，介绍了关于激光的多方知识，特转贴于此：

漫谈激光及其应用
　
　　大家对于激光这个词并不陌生。激光唱机、激光视盘所提供的听觉享受，全
息照片给与我们的三维视觉效果，以及“死光”武器、星球大战计划都是人们津
津乐道的话题。但激光到底是什么东西？它是怎样产生的？它又有什么样的性质
?这恐怕就没有多少人了解了。

光的本性

　　很久以来，人们对光就进行了各种各样的研究。光到底是什么东西呢？这个
问题困扰了许多有才智之士。古希腊哲学家们认为光是高速运动的粒子流。凡是
发光的物体，例如太阳，都能发出这样的粒子流。当这些微小的粒子流接触到眼
睛上时，就引起了人们对光的感觉。

　　对于光的研究在以后很长的年代里没有进展，直到伟大的科学家牛顿，才开
创了一个光学研究的新世纪。牛顿在他的工作室里，用三棱镜把白光分解为从红
到紫的七种色光。这是人类第一次看到光的奥妙。白光并不是单一的，而是几种
不同色光的复合。进一步的研究使牛顿提出著名的光微粒说：光是由极小的高速
运动微粒组成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的质量最大，红光微粒
的质量最小。利用这种学说牛顿解释了光的折射、反射和上面描述的色散现象。

　　微粒说合乎人们的日常直观心理要求。由于光是直线行进的，人们很容易相
信光是粒子流。而且由于牛顿的巨大声望，微粒说一时独领风骚。但在牛顿的同
时代人中亦有人大力批驳微粒说，荷兰人惠更斯（1629～1695）于1678年提出波
动理论来解释光的本性。他认为光的微粒理论无论解释光线可以相互交叉通过而
互不影响，但这却是波的基本性质。利用光的波动理论也很容易解释光的反射与
折射现象。那么，到底光是波还是粒子呢？

　　到十九世纪初期，发现了光的干涉、绕射和偏振现象，这些行为只适合于光
的波动理论解释。同时，若根据微粒理论，光在水中的传播速度要大于光在空气
中的传播速度，而根据波动理论计算的结果则正好相反。在牛顿和惠更斯时期，
人们还无法精确测量光速，因此无法用实验判定两理论的正误。但到了十九世纪
，科技水平和实验技巧都大大发展，因此在1862年福科测得了光在水中的传播速
度，证实了其小于光在空气中的传播速度。这时光的微粒说基本上是彻底被放弃
了。到1863年麦克斯韦发表著名的电磁理论，揭示了光波其实是电磁波的一种，
这时波动理论的最后的一个难题--传播媒质问题也被解决了。按照传统的机械波
理论，光振动是在弹性媒质中的一种机构振动。由于光速极大，人们不得不臆造
一种弹性极大但密度极小的媒质“以太”，作为光传播的媒质而散布在宇宙空间
。可是，任何实验都测不到以太的存在，而假定它的存在却引起了许多麻烦。从
而，“以太”成了波动理论之一大难题，是欲弃之而不能的“鸡肋”。但麦克斯
韦的理论告诉我们，电磁波的传播不需要媒质。变化的电场产生变化的磁场，变
化的磁场产生变化的电场。这样，变化电磁场的交替产生就构成了电磁波由近及
远的传播。因此，如果我们把光视为一种电磁波，则“以太”难题就迎刃而解了
，因为根本就不需要它，丢掉这块“鸡肋”一切就解决了。麦克斯韦理论完美地
解释了当时已知的所有光学现象。但从十九世纪末起，却发现了一系列令人困惑
的新的实验结果。这些结果共同的特点是，他们无法用麦克斯韦理论来解释。其
中最典型的是光电效应实验。

　　光电效应实验使传统的光学理论受到严峻考验。伟大的爱因斯坦于1905年提
出光量子说来解释该实验。想法是革命性的，即认为光是一束束以光速运动的粒
子流，每一个光粒子都携带着一份能量。光量子说受到普朗克量子说的很大影响
。普朗克在解释黑体辐射问题时认为光在发射和吸收过程中具有粒子性。爱因斯
坦则进一步认为光在传播过程中也具有粒子性。

　　光一方面具有波动的性质，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性质，
如光电效应等。这两方面的综合说明光不是单纯的波，也不是单纯的粒子，而是
具有波粒二象性的物质。这是认识上的不断加深而得到的结论。应该注意这也还
不是最后的答案。对于光的本性，虽然经过这么多年的探索，我们所知道的也的
确是太少了。光到底是什么？是在某一时刻表现为粒子，而在另一时刻表现为波
？还是完全不同于我们现在所知的某种物质？这些问题也是当今的科学家们在苦
苦思索的问题。

激光的理论基础

　　直到二十世纪初，人们才在实验的基础上揭开了原子结构的奥秘。原子结构
像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停地旋转，同时也不
停地自转。原子核集中了原子的绝大部分质量，但却只占有很小的空间。原子核
带正电，电子带负电，一般原子核与电子所携带的正负电荷数量相等，因此对外
呈中性。电子绕核旋转具有一定的动能，同时负电荷的电子与正电荷的原子核之
间存在着一定的位能。所有电子的动能与位能之和就是整个原子的能量，称为原
子的内能。这种原子模型是1911年由英国科学家卢瑟福提出的。紧接着，1913年
，丹麦物理学家玻尔提出了原子只能处于由不连续能级表征的一系列状态--定态
上，这与宏观世界中的情况大不相同。人造卫星绕地球旋转时，可以位于任意的
轨道上，也就是说可具有任意的连续变化的能量。而电子在绕核运动时，却只能
处于某些特定的轨道上。从而原子的内能不能连续的改变，而是一级一级分开的
，这样的级就称为原子的能级。不同的原子具有不同的能级结构。一个原子中最
低的能级称为基态，其余的称为高能态，或激发态。原子从高能态E2过渡到低能
态E1时，会向外发射某个频率为v的辐射，满足普朗克公式：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　hv=E2-E1
式中h为普朗克常数。反之，该原子吸收频率为v的辐射时，就会从低能态E1过渡
到高能态E2。

　　爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。该文
提出了受激光辐射理论。而这正是激光理论的核心基础。因此爱因斯坦被认为是
激光的理论之父。在这篇论文中，爱因斯坦区分了三种过程：受激吸收、自发辐
射、受激辐射。

　　前两个概念是已为人所知的。受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射
而跃迁到高能态；自发辐射是指高能态的原子自发地辐射出光子并迁移至低能态
。这种辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界
的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样
的光相干性差，方向散乱，而受激辐射则相反。它是指处于高能级的原子在光子
的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率
的光子。这好比清晨公鸡打鸣，一个公鸡叫起来，其他的公鸡受到“刺激”也会
发出同样的声音。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射
的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无
法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子
。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。

　　爱因斯坦的理论在当初只是为了解决黑体辐射问题而提出的假设。但是几十
年后却成了打开激光宝库的金钥匙。

　　那么，激光是怎样产生的？在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有
些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激
辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相
互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。如果想获得越来越
强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受
激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的
光子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的
原子产生受激吸收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、低
能级的原子数量之比。若位于高能级的原子远远多于位于低能级的原子，我们就
得到被高度放大的光。但是，在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分
布服从玻尔兹曼分布率。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。
在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。

　　所谓非热平衡体系，是指热运动并没有达到平衡、整个体系不存在一个恒定
温度的原子体系。这种体系的原子数目按能级的分布不服从玻尔兹曼分布率，位
于高能级上的原子数目有可能大于位于低能级上的原子数目。这种状态称为“粒
子数反转”。如何才能达到粒子数反转状态呢？这需要利用激活媒质。所谓激活
媒质(也称为放大媒质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的
物质。它可以是气体，也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现
粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。

　　在现代的激光器中，第一台激光器红宝石激光器是三能级系统，也有一些激
光器采用了四能级系统，如钕玻璃激光器。

激光的巨大应用

　　1960年7月，西奥多·梅曼在加利福尼亚的休斯空军试验室第一次制得了人造
激光。这束仅持续了3亿分之一秒的红色激光标志着人类文明史上一个新时刻的来
临。梅曼的激光器使用的激活媒质是一个4厘米长的圆柱形红宝石棒。在红宝石棒
上缠有闪光玻璃管以便让晶体受光线照耀。这种红宝石的主要成份是混有铬离子
的氧化铝。当铬离子被强烈的普通光激发时，就产生了离子数反转。这样在谐振
腔的作用下就获得了第一束人造激光。

　　激光器的发现过程并不是一帆风顺的。虽然汤斯和费罗早在1957年就提出了
激光器的基本理论，但是在实际建造中还有许多困难，对激光的性质和作用都还
没有清楚的认识。在梅曼开始建造他的红宝石激光器之前，有人断言红宝石绝不
是制造激光的好材料，而费罗也支持这种观点。这使得很多人中止了用红宝石来
制造激光的尝试，但梅曼却怀疑这个说法。为此，他花了一年的时间专门测量和
研究红宝石的性质，终于发现上述论断所依据的基础是错误的，而红宝石确是制
造激光器的好材料。从此他着手建造那个世界上第一台激光器。他的准备工作十
分地详细完备，在第一次试验时，当按钮按下时，第一束人造激光就产生了。在
梅曼成功之后不久，氦氖激光器也试验成功。这一系列的成功使实力雄厚的贝尔
实验室也投入到激光器的研究之中，而其资金和人力资源又迅速推动着研究工作
的进展。

　　自从1960年以来，激光家族有着迅猛的增长。现在有各种不同形状不同大小
的各种各样的激光器，可以产生出不同功率、不同波长的激光。这些激光的范围
包含从红外到紫外以至X射线的所有区域。可以有两种方法对激光器进行分类。一
种是从激活媒质的物质状态面分类。这样可分为气体、液体、固体和半导体激光
器。各类激光器各有特色。气体激光器的单色性强，如氦-氖激光器的单色性比普
通光源要高1亿倍，而且气体激光器工作物质种类繁多，因此可产生许多不同频率
的激光。但是，由于气体密度低，激光输出功率相应较小；固体激光器则正好相
反，能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且单色性差；液体激光器的
最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。这种激光器特别适合于对激
光波长有着严格要求的场合；半导体激光器的特点则是体积小，重量轻，结构简
单，但输出的功率较小，单色性也较差。

　　另一种分类方式是按激活媒质的粒子结构来分类，可以分为原子、离子、分
子和自由电子激光器。氦--氖激光器产生的激光是由氖原子发射的，红宝石激光
器产生的激光则是由铬离子发射的。另外还有二氧化碳分子激光器，它的频率可
以连续变化。而且可以覆盖很宽的频率范围。

　　各种激光器中激活媒质的方法也不尽相同。一般来说可分为三种方法：使用
高强度的光，从带电源来的电子，以及较少用的第三种方法--核辐射。激光刚刚
诞生不久就被人们称为“解决问题的工具”。科学家们一开始就意识到激光这种
奇特的东西，将会像电力一样注定要成为这个时代最重要的技术因素。迄今为止
，仅仅二十多年的初步应用，激光已经对我们的生活方式产生了重大影响。激光
通信使我们在地球的每一个角落里都能准确迅速地进行信息交流；激光唱盘可以
使我们渴望亲耳聆听世界名曲的现场演奏几近成真。总之，激光正实现着几年前
还令人难以置信的技术奇迹。从工业生产到医学，从电讯通信到战争机器，科学
和技术正运用激光来解决一个又一个的难题。

　　激光广泛应用的基础在于它的特性。激光单色性好，又可在一个狭小的方向
内有集中的高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。这是令
人惊奇的。从红宝石激光器中输出脉冲的总能量煮不熟一个鸡蛋，但却能在 3毫
米的钢板上钻出一个孔。为什么激光这么神奇呢？关键不是光的能量，而在于其
功率。激光的功率是很高的，这也是它多方面被应用的基础。

　　在激光出现之前，只能用硬度较大的物质在硬度较小的物质上打孔。这样要
在硬度最大的金刚石上打孔，就成了极其困难的事。激光出现后，这一类的操作
既快又安全。用激光来切割钢板也是又快又省事。现代的激光成了人们所幻想追
求的“削铁如泥”的“宝剑”。激光还可用于焊接，用比切割金属时功率较小的
激光束，使材料熔化而不使其气化，在冷却后成为一块连续的固体结构。激光在
工业领域中的应用是有局限和缺点的。用激光来切割食物和胶合板并不成功。食
物被切开的同时也被灼烧了，而切割胶合板在经济上还远不合算。另外，激光钻
出的孔是圆锥形的，而不是机械钻孔的圆柱形，这在有些地方是很不方便的。

　　激光在电子工业中也得到广泛应用。可以用它来进行微型仪器的精密加工，
可以对脆弱易碎的半导体材料进行精细的划片，也可以用来调整微型电阻的阻值
。随着激光器性能的改善和新型激光器的出现，激光在超大规模集成电路方面的
应用已经成为许多其他工艺所无法取代的关键性技艺，为超大规模集成电路的发
展展现出令人鼓舞的前景。

　　激光的出现引发了印刷工业中的一场革命。现代社会中，信息的作用越来越
重要。谁掌握的信息越迅速、越准确、越丰富，谁也就更加掌握了主动权，也就
有更多成功的机会。因此在信息传播中，加快印刷速度，缩短出版周期也就有了
相当重要的意义。

　　现在已经得到广泛应用的激光照排技术就是一项重大的革命。激光照排是将
文字通过计算机分解为点阵，然后控制激光在感光底片上扫描，用曝光点的点阵
组成文字和图像。现在我国已广泛应用的汉字排版技术就采用了激光照排，它比
古老的铅字排版工效至少提高5倍。

　　一般照相机照出的照片都是平面的，没有立体感。用物理术语来说，得到的
仅是二维图像，很多信息都失去了。当激光出现后，人类才第一次得到了全息照
片。所谓全息照片就是记录了景物的全部信息的照片。全息照片不用一般的照相
机，而要用一台激光器。激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物
上，称为物光束；另一束直接照到感光胶片即全息干板上，称为参考光束。物光
束被物体反射后，其反射光束也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程。
全息照片和普通照片截然不同。用肉眼去看，全息照片上只有些乱七八糟的条纹
。可是若用一束激光去照射该照片，眼前就会出现逼真的立体景物。更奇妙的是
，从不同的角度去观察，就可以看到原来物体的不同侧面。而且，如果不小心把
全息照片弄碎了，那也没有关系。随意拿起其中的一小块碎片，用同样的方法观
察，原来的被摄物体仍然能完整无缺地显示出来。全息照相的原理是利用光的干
涉原理，利用两束光的干涉来记录被摄物体的信息。这个理论很早就有人提出过
，但只有激光才能达到它所要求的高度单色性。因此，只有在激光器诞生以后人
们才实现了这一梦想。

　　激光大显身手的另一领域是医学。在外科手术中它不仅可以作为激光刀使用
，而且在眼科、牙科、皮肤科与整容各方面都有独到的应用。激光刀的妙处在于
它切割的同时也进行了灼烧，这恰好封闭血管防止其出血，也减少了感染的危险
。用激光对牙齿进行无痛钻孔和去牙蛀，使人们对以前望而生畏的牙科手术大感
轻松。相比以前的机械打孔，激光钻孔不仅不会产生大量的摩擦热，而且其所蒸
发掉的只是被腐蚀处的黑色牙区，不会对健康的牙组织产生影响，从而疼痛感会
大大减轻。激光在眼科上的应用是最令人叹为观止的。激光可以焊接脱开的视网
膜，封闭破漏的血管，彻底摧毁飘浮在眼中冻胶状液体中的微小的沙粒(使其气化
)。激光手术的优点是不需要切开眼睛就能完成手术，而且手术的疼痛感大为缓和
。

　　对于目前的不治之症--癌症，激光也提供了有效的武器。一方面，激光可以
用作激光刀来切除肿瘤；另一方面，在癌症的早期诊断方面也卓有成效。癌症的
早期诊断对于其治疗有着决定性意义。借助于激光能准确地确定肿瘤细胞和正常
细胞，同时也提供了一个新的治疗途径。借助于一些特殊的化学物质，采用激光
化疗法，能使这些特殊物质在激光作用下杀死肿瘤细胞，从而达到治疗癌症的目
的。

　　通讯设施是人类社会生活，尤其是现代社会生活必不可少的。激光的发明使
通讯进入一个新天地。原来的电磁通讯技术容量小，保密性差，越来越不能满足
社会发展的要求。电话之父贝尔早在1880年就有过光电话的设想，但由于普通光
受云、雨、雾所阻碍，实验失败了。激光发明后，结合另一发明光导纤维，光通
讯重获新生并得到迅速应用。

　　光导纤维的概念可以回溯到1870年。英国科学家约翰·廷德尔使用有反射表
面的管子，让光以曲折的“之”字形方式输送。如果用玻璃管，那么从一端射入
的光将会从另一端射出，即使玻璃管弯曲多次结果仍然不变。其中奥妙在于光的
全反射现象：当光在玻璃管内以某种角度射向玻璃和空气的界面时会全部反射回
玻璃内。因此在光的传送过程中没有能量的损失，现代光导纤维应用了同样原理
。柔软的高纯度的玻璃纤维比头发丝还细，但却比同直径的钢丝强度还高。光在
光导纤维内沿之字形传播，因此光导纤维弯曲后也不影响其传播。

　　激光通讯与无线电通讯相比，激光通讯保密性好，在军事通讯中应用十分广
泛。另外，在空间通讯领域，选取不被大气吸收的波长的激光可以克服无线电通
讯的一些局限。可是由于激光光束在大气层里传播时会受到大气中微粒的吸收或
散射，从而使激光通讯的距离受到限制。这使得目前的激光通讯只能作为无线电
通讯的一个有效补充，但还不能够取而代之。

　　很久以前，有人幻想一种“死光武器”的出现。在古希腊，阿基米德利用巨
大的反光聚焦镜摧毁了入侵者的兵舰，但那时的船还是由木头做的。现代的激光
让人们有可能实现古代的梦想，制造出可以摧毁一切的激光武器。美国现在全力
研制的“星球大战”防卫体系，其所依赖的重要一环就是用激光束来击毁入侵的
导弹。可以设想，一枚载着核弹头的导弹在强激光的照射下会迅速化为一阵烟雾
消散在空中，这该是多么奇妙的事。

　　用激光作为“死光”武器，不能像在激光加工中那样借助于透镜聚焦，而必
须大大提高激光器的输出功率。目前的激光武器有两种，一种是战术武器，也就
是像常规武器那样直接杀伤敌方人员、击毁坦克、飞机等。这种武器的主要代表
有激光枪和激光炮，它们能够发出很强的激光束来打击敌人。另一种是战略武器
，用于对付敌方的远程导弹、军事卫星等空间武器。研究战略武器的关键是制造
大功率高能量的激光器，其能量和功率足以摧毁导弹和卫星。目前，已经进行了
这类实验并获得成功，但其成果是保密的。

　　激光测距仪是激光在军事上应用的起点。60年代的越南战争和中东战争首先
将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。雷达是二战中的产物，而激光
雷达又给雷达发展指示新方向。相比于无线电雷达，由于激光发散角小，方向性
好，因此其测量精度大幅度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在“盲区”，
因此尤其适宜于对导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，激光雷达并不
适宜在大范围内搜索，还只能作为无线电雷达的有力补足。

　　此外，还有精确的激光制导导弹，以及模拟战场上使用的激光武器技术运用
。在激光实战演习的战场上，酷似实际战争场面。那里，炮声隆隆，硝烟弥漫，
演习的双方互相射击，不时有伤员退出战场。为什么会这样呢？原因并不复杂。
像一支激光步枪，每发射一次就射出一束激光。而演习双方战士的身上都有光电
接收器和发声装置。如果某束光射中一名士兵，则通过其随身的计算机分析会得
出“死亡”、“受伤”和“丧失战斗能力”等结论，并同时发出声音和烟雾。激
光模拟实战演习大大节约了演习费用，而又逼真地表现了战争气氛，确保人员生
命安全，因此广为各国军队欢迎。

　　激光技术是高科技的产物，其产生又推动了科学研究的深入发展，并开拓出
许多新的学科领域，如非线性光学、激光光谱学、激光化学、激光生物学等。激
光被用来研究与生命密切相关的光合作用、血红蛋白、DNA 等的机制。激光还将
成为时间和长度的新标准，以后任何高精度的钟表和米尺都可以用某一特定波长
的激光束来标定。激光在核能应用上也将大显身手。乐观的专家们估计，到2020
年强大的激光会产生安全经济的热核聚变，这类似恒星内部的核反应过程。如果
实现，热核聚变将带来巨大无比的社会和经济效益，能源危机亦将不复存在。到
那时，一桶水中的氢聚变后所产生的电力足够一个城市使用。

　　激光从诞生到目前只有短短的一段历史。由爱因斯坦受激辐射理论的提出，
到战后科学技术水平的迅速提高，使得技术条件日趋成熟，从而在1954年由美国
物理学家汤斯首先制造出第一台氨微波激射器。同时，提出激光理论的还有苏联
　　目前，激光技术已经融入我们的日常生活之中了。在未来的岁月中，激光会
带给我们更多的奇迹。

作者: yjh_1 时间: 2004-4-4 02:41

欢迎光临光电工程师社区 (http://bbs.oecr.com/)