laser[雷射]

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雷射是20世紀以來繼核能、電腦、半導體之後,人類的又一重大發明,被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。英文名Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,意思是“通過受激輻射光擴大”。雷射的英文全名已經完全表達了製造雷射的主要過程。雷射的原理早在 1916年已被著名的美國物理學家愛因斯坦發現。 原子受激輻射的光,故名“雷射”:原子中的電子吸收能量後從低能級躍遷到高能級,再從高能級回落到低能級的時候,所釋放的能量以光子的形式放出。被引誘(激發)出來的光子束(雷射),其中的光子光學特性高度一致。這使得雷射比起普通光源,雷射的單色性好,亮度高,方向性好。 雷射套用很廣泛,有雷射打標、雷射焊接、雷射切割、光纖通信、雷射測距、雷射雷達、雷射武器、雷射唱片、雷射矯視、雷射美容、雷射掃描、雷射滅蚊器、LIF無損檢測技術等等。雷射系統可分為連續波雷射器和脈衝雷射器。

雷射原理

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光與物質的相互作用,實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻射光子,同時改變自身運動狀況的表現。

微觀粒子都具有特定的一套能級(通常這些能級是分立的)。任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態(或者簡單地表述為處在某一個能級上)。與光子相互作用時,粒子從一個能級躍遷到另一個能級,並相應地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E,頻率為ν=△E/h(h為普朗克常量)。

1.受激吸收(簡稱吸收)

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處於較低能級的粒子在受到外界的激發(即與其他的粒子發生了有能量交換的相互作用,如與光子發生非彈性碰撞),吸收了能量時,躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。

2.自發輻射

粒子受到激發而進入的激發態,不是粒子的穩定狀態,如存在著可以接納粒子的較低能級,即使沒有外界作用,粒子也有一定的機率,自發地從高能級激發態(E2)向低能級基態(E1)躍遷,同時輻射出能量為(E2-E1)的光子,光子頻率 ν=(E2-E1)/h。這種輻射過程稱為自發輻射。眾多原子以自發輻射發出的光,不具有相位、偏振態、傳播方向上的一致,是物理上所說的非相干光。

3.受激輻射、雷射

1917年,愛因斯坦從理論上指出:除自發輻射外,處於高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當頻率為 ν=(E2-E1)/h的光子入射時,也會引發粒子以一定的機率,迅速地從能級E2躍遷到能級E1,同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子,這個過程稱為受激輻射。

可以構想,如果大量原子處在高能級E2上,當有一個頻率 ν=(E2-E1)/h的光子入射,從而激勵E2上的原子產生受激輻射,得到兩個特徵完全相同的光子,這兩個光子再激勵E2能級上原子,又使其產生受激輻射,可得到四個特徵相同的光子,這意味著原來的光信號被放大了。這種在受激輻射過程中產生並被放大的光就是雷射。

雷射 雷射

愛因斯坦1917提出受激輻射,雷射器卻在1960年問世,相隔43年,為什麼?主要原因是,普通光源中粒子產生受激輻射的機率極小。當頻率一定的光射入工作物質時,受激輻射和受激吸收兩過程同時存在,受激輻射使光子數增加,受激吸收卻使光子數減小。物質處於熱平衡態時,粒子在各能級上的分布,遵循平衡態下粒子的統計分布律。按統計分布規律,處在較低能級E1的粒子數必大於處在較高能級E2的粒子數。這樣光穿過工作物質時,光的能量只會減弱不會加強。要想使受激輻射占優勢,必須使處在高能級E2的粒子數大於處在低能級E1的粒子數。這種分布正好與平衡態時的粒子分布相反,稱為粒子數反轉分布,簡稱粒子數反轉。如何從技術上實現粒子數反轉是產生雷射的必要條件。

雷射 雷射

理論研究表明,任何工作物質,在適當的激勵條件下,可在粒子體系的特定高低能級間實現粒子數反轉。若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1,E2和E1能級上的布居數密度為N2和N1,在兩能級間存在著自發發射躍遷、受激發射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發射躍遷所產生的受激發射光,與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此,大量粒子在同一相干輻射場激發下產生的受激發射光是相干的。受激發射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比於入射輻射場的單色能量密度。當兩個能級的統計權重相等時,兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2<N1,所以自發吸收躍遷占優勢,光通過物質時通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵可以破壞熱平衡而使N2>N1,這種狀態稱為粒子數反轉狀態。在這種情況下,受激發射躍遷占優勢。光通過一段長為l的處於粒子數反轉狀態的雷射工作物質(激活物質)後,光強增大eGl倍。G為正比於(N2-N1)的係數,稱為增益係數,其大小還與雷射工作物質的性質和光波頻率有關。一段激活物質就是一個雷射放大器。如果,把一段激活物質放在兩個互相平行的反射鏡(其中至少有一個是部分透射的)構成的光學諧振腔中(圖1),處於高能級的粒子會產生各種方向的自發發射。其中,非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外:軸向傳播的光波卻能在腔內往返傳播,當它在雷射物質中傳播時,光強不斷增長。如果諧振腔內單程小信號增益G0l大於單程損耗δ(G0l是小信號增益係數),則可產生自激振盪。原子的運動狀態可以分為不同的能級,當原子從高能級向低能級躍遷時,會釋放出相應能量的光子(所謂自發輻射)。

歷史沿革

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雷射的理論基礎起源於物理學家愛因斯坦,1917年愛因斯坦提出了一套全新的技術理論‘光與物質相互作用’。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,會從高能級跳到(躍遷)到低能級上,這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光,而且在某種狀態下,能出現一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫做“受激輻射的光放大”,簡稱雷射。

1951年,美國物理學家查爾斯·哈德·湯斯構想如果用分子,而不用電子線路,就可以得到波長足夠小的無線電波。分子具有各種不同的振動形式,有些分子的振動正好和微波波段範圍的輻射相同。問題是如何將這些振動轉變為輻射。就氨分子來說,在適當的條件下,它每秒振動24,000,000,000次(24GHz),因此有可能發射波長為1.25厘米的微波。 他構想通過熱或電的方法,把能量泵入氨分子中,使它們處於“激發“狀態。然後,再構想使這些受激的分子處於具有和氨分子的固有頻率相同的微波束中---這個微波束的能量可以是很微弱的。一個單獨的氨分子就會受到這一微波束的作用,以同樣波長的束波形式放出它的能量,這一能量又繼而作用於另一個氨分子,使它也放出能量。這個很微弱的入射微波束相當於起立腳點對一場雪崩的促發作用,最後就會產生一個很強的微波束。最初用來激發分子的能量就全部轉變為一種特殊的輻射。

1953年12月,湯斯和他的學生阿瑟·肖洛終於製成了按上述原理工作的的一個裝置,產生了所需要的微波束。這個過程被稱為“受激輻射的微波放大”。按其英文的首字母縮寫為M.A.S.E.R,並由之造出了單詞“maser”(脈澤)(這樣的單詞稱為首字母縮寫詞,在技術語中越來越普遍使用)。

1958年,美國科學家肖洛(Schawlow)和湯斯(Townes)發現了一種神奇的現象:當他們將氖光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時,晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。根據這一現象,他們提出了"雷射原理",即物質在受到與其分子固有振盪頻率相同的能量激發時,都會產生這種不發散的強光--雷射。他們為此發表了重要論文,並獲得1964年的諾貝爾物理學獎。

1960年5月15日,美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的雷射,這是人類有史以來獲得的第一束雷射, 梅曼因而也成為世界上第一個將雷射引入實用領域的科學家。

1960年7月7日,西奧多·梅曼宣布世界上第一台雷射器誕生,梅曼的方案是,利用一個高強閃光燈管,來激發紅寶石。由於紅寶石其實在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉,所以當紅寶石受到刺激時,就會發出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鑽一個孔,使紅光可以從這個孔溢出,從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱,當它射向某一點時,可使其達到比太陽表面還高的溫度。

前蘇聯科學家尼古拉·巴索夫於1960年發明了半導體雷射器。半導體雷射器的結構通常由p層、n層和形成雙異質結的有源層構成。其特點是:尺寸小、耦合效率高、回響速度快、波長和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調製、相干性好。

雷射的中文名稱

1964年10月,中國科學院長春光機所主辦的《光受激發射情報》(其前身為《光量子放大專刊》)雜誌編輯部致信錢學森,請他為LASER取一個中文名字,錢學森建議中文名為“雷射”。同年12月,上海召開第三屆光量子放大器學術會議,由嚴濟慈主持,討論後正式採納錢學森的建議,將“通過輻射受激發射的光放大”的英文縮寫LASER正式翻譯為“雷射”。隨後,《光受激發射情報》雜誌也改名為《雷射情報》。

大事年表

1917年:愛因斯坦提出“受激發射”理論,一個光子使得受激原子發出一個相同的光子。

1953年:美國物理學家Charles Townes用微波實現了雷射器的前身:微波受激發射放大(英文首字母縮寫maser)。

1957年:Townes的博士生Gordon Gould創造了“laser”這個單詞,從理論上指出可以用光激發原子,產生一束相干光束,之後人們為其申請了專利,相關法律糾紛維持了近30年。

1960年:美國加州Hughes 實驗室的Theodore Maiman實現了第一束雷射。

1961年:雷射首次在外科手術中用於殺滅視網膜腫瘤。

1962年:發明半導體二極體雷射器,這是今天小型商用雷射器的支柱。

1969年:雷射用於遙感勘測,雷射被射向阿波羅11號放在月球表面的反射器,測得的地月距離誤差在幾米範圍內。

1971年:雷射進入藝術世界,用於舞台光影效果,以及雷射全息攝像。英國籍匈牙利裔物理學家Dennis Gabor憑藉對全息攝像的研究獲得諾貝爾獎。

1974年:第一個超市條形碼掃描器出現。

1975年:IBM投放第一台商用雷射印表機。

1978年:飛利浦製造出第一台雷射盤(LD)播放機,不過價格很高。

1982年:第一台緊湊碟片(CD)播放機出現,第一部CD糟是美國歌手Billy Joel在1978年的專輯52nd Street。

雷射 雷射

1983年:里根總統發表了“星球大戰”的演講,描繪了基於太空的雷射武器。

1988年:北美和歐洲間架設了第一根光纖,用光脈衝來傳輸數據。

1990年:雷射用於製造業,包括積體電路和汽車製造。

1991年:第一次用雷射治療近視,海灣戰爭中第一次用雷射制導飛彈。

1996年:東芝推出數字多用途光碟(DVD)播放器。

2008年:法國神經外科學家使用廣導纖維雷射和微創手術技術治療了腦瘤。

2010年:美國國家核安全管理局(NNSA)表示,通過使用192束雷射來束縛核聚變的反應原料、氫的同位素氘(質量數2)和氚(質量數3),解決了核聚變的一個關鍵困難。

2011年3月,研究人員研製的一種牽引波雷射器能夠移動物體,未來有望能移動太空飛船。

2013年1月,科學家已經成功研製出可用於醫學檢測的牽引光束。

2014年6月5日美國航天局利用雷射束把一段時長37秒、名為“你好,世界!”的高清視頻,只用了3.5秒就成功傳回,相當於傳輸速率達到每秒50兆,而傳統技術下載需要至少10分鐘。

基本特性

定向發光

普通光源是向四面八方發光。要讓發射的光朝一個方向傳播,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方向射出。雷射器發射的雷射,天生就是朝一個方向射出,光束的發散度極小,大約只有0.001弧度,接近平行。1962年,人類第一次使用雷射照射月球,地球離月球的距離約38萬公里,但雷射在月球表面的光斑不到兩公里。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月球。天文學家相信,外星人或許正使用閃爍的雷射作為一種宇宙燈塔來嘗試與地球進行聯繫。

亮度極高

在雷射發明前,人工光源中高壓脈衝氙燈的亮度最高,與太陽的亮度不相上下,而紅寶石雷射器的雷射亮度,能超過氙燈的幾百億倍。因為雷射的亮度極高,所以能夠照亮遠距離的物體。紅寶石雷射器發射的光束在月球上產生的照度約為0.02勒克斯(光照度的單位),顏色鮮紅,雷射光斑肉眼可見。若用功率最強的探照燈照射月球,產生的照度只有約一萬億分之一勒克斯,人眼根本無法察覺。雷射亮度極高的主要原因是定向發光。大量光子集中在一個極小的空間範圍內射出,能量密度自然極高。

雷射的亮度與陽光之間的比值是百萬級的,而且它是人類創造的。

雷射的顏色

雷射的顏色取決於雷射的波長,而波長取決於發出雷射的活性物質,即被刺激後能產生雷射的那種材料。刺激紅寶石就能產生深玫瑰色的雷射束,它套用於醫學領域,比如用於皮膚病的治療和外科手術。公認最貴重的氣體之一的氬氣能夠產生藍綠色的雷射束,它有諸多用途,如雷射印刷術,在顯微眼科手術中也是不可缺少的。半導體產生的雷射能發出紅外光,因此我們的眼睛看不見,但它的能量恰好能"解讀"雷射唱片,並能用於光纖通訊。但有的雷射器可調節輸出雷射的波長。

雷射分離技術

雷射分離技術主要指雷射切割技術和雷射打孔技術。雷射分離技術是將能量聚焦到微小的空間,可獲得105~1015W/cm2極高的輻照功率密度,利用這一高密度的能量進行非接觸、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下,幾乎可以對任何材料實現雷射切割和打孔。雷射切割技術是一種擺脫傳統的機械切割、熱處理切割之類的全新切割法,具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產效率等特點。雷射打孔方法作為在固體材料上加工孔方法之一,已成為一項擁有特定套用的加工技術,主要運用在航空、航天與微電子行業中。

顏色極純

光的顏色由光的波長(或頻率)決定。一定的波長對應一定的顏色。太陽輻射出的可見光段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,只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。如氖燈只發射紅光,單色性很好,被譽為單色性之冠,波長分布的範圍仍有0.00001納米,因此氖燈發出的紅光,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。

雷射器輸出的光,波長分布範圍非常窄,因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖雷射器為例,其光的波長分布範圍可以窄到2×10^-9納米級別,是氪燈發射的紅光波長分布範圍的萬分之二。由此可見,雷射器的單色性遠遠超過任何一種單色光源。

能量極大

光子的能量是用E=hv來計算的,其中h為普朗克常量,v為頻率。由此可知,頻率越高,能量越高。雷射頻率範圍3.846×10^(14)Hz到7.895×10^(14)Hz。

電磁波譜可大致分為:

(1)無線電波——波長從幾千米到0.3米左右,一般的電視和無線電廣播的波段就是用這種波;

(2)微波——波長從0.3米到10^-3米,這些波多用在雷達或其它通訊系統;

(3)紅外線——波長從10^-3米到7.8×10^-7米;

(4)可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個波段。波長從780—380nm。光是原子或分子內的電子運動狀態改變時所發出的電磁波。由於它是我們能夠直接感受而察覺的電磁波極少的那一部分;

(5)紫外線——波長從3 ×10^-7米到6×10^-10米。這些波產生的原因和光波類似,常常在放電時發出。由於它的能量和一般化學反應所牽涉的能量大小相當,因此紫外光的化學效應最強;

雷射 雷射

(6)倫琴射線(X射線)—— 這部分電磁波譜,波長從2×10^-9米到6×10^-12米。倫琴射線(X射線)是電原子的內層電子由一個能態跳至另一個能態時或電子在原子核電場內減速時所發出的;

(7)伽馬射線——是波長從10^-10~10^-14米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內發出來的,放射性物質或原子核反應中常有這種輻射伴隨著發出。γ射線的穿透力很強,對生物的破壞力很大。由此看來,雷射能量並不算很大,但是它的能量密度很大(因為它的作用範圍很小,一般只有一個點),短時間裡聚集起大量的能量,用做武器也就可以理解了。

其他特性

雷射有很多特性:首先,雷射是單色的,或者說是單頻的。有一些雷射器可以同時產生不同頻率的雷射,但是這些雷射是互相隔離的,使用時也是分開的。其次,雷射是相干光。相干光的特徵是其所有的光波都是同步的,整束光就好像一個“波列”。再次,雷射是高度集中的,也就是說它要走很長的一段距離才會出現分散或者收斂的現象。

雷射對組織的生物效應

1、熱效應

2、光化學效應

3、壓強作用、電磁場效應和生物刺激效應。

壓強作用和電磁場效應主要由中等功率以上的雷射所產生,光化學效應在低功率雷射照射時特別重要,熱效應存在於所有的雷射照射,而生物刺激作用只發生在弱雷射照射時。

安全防護

雷射波長與眼睛傷害:在雷射的傷害中,以機體中眼睛的傷害最為嚴重。波長在可見光和近紅外光的雷射,眼屈光介質的吸收率較低,透射率高,而屈光介質的聚焦能力(即聚光力)強。強度高的可見或近紅外光進入眼睛時可以透過人眼屈光介質,聚積光於視網膜上。此時視網膜上的雷射能量密度及功率密度提高到幾千甚至幾萬倍,大量的光能在瞬間聚中於視網膜上,致視網膜的感光細胞層溫度迅速升高,以至使感光細胞凝固變性壞死而失去感光的作用。雷射聚於感光細胞時產生過熱而引起的蛋白質凝固變性是不可逆的損傷。一旦損傷以後就會造成眼睛的永久失明。

雷射的波長不同對眼球作用的程度不同,其後果也不同。遠紅外雷射對眼睛的損害主要以角膜為主,這是因為這類波長的雷射幾乎全部被角膜吸收,所以角膜損傷最重,主要引起角膜炎和結膜炎,患者感到眼睛痛,異物樣刺激、怕光、流眼淚、眼球充血,視力下降等。發生遠紅外光損傷時應遮住保護傷眼,防止感染髮生,對症處理。

紫外雷射對眼的損傷主要是角膜和晶狀體,此波段的紫外雷射幾乎全部被眼的晶狀體吸收,而中遠以角膜吸收為主,因而可致晶狀體及角膜混濁。

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雷射器通常都會標示有著安全等級編號的雷射警示標籤:

第1級 (Class I/1):通常是因為光束被完全的封閉在內,例如在CD或DVD播放器內。

第2級 (Class II/2):在正常使用狀況下是安全的,這類設備通常功率低於1mW,例如雷射指示器。

第3 a/R級 (Class IIIa/3R):功率通常會達到5mW,注視這種光束幾秒鐘會對視網膜造成立即的傷害。

第3b/B級 (Class IIIb/3B):在暴露下會對眼睛造成立即的損傷。

第4級 (Class IV/4):雷射會燒灼皮膚,即使散射的雷射光(200W以上)也會對眼睛和皮膚造成傷害。利用雷射的熱能,可以製造新型的烹飪工具。

以上情況是指在雷射直射眼睛的情況下所發生的。如果間接觀察雷射,任何200W以下的雷射的丁達爾效應都不會對眼睛造成影響。

國內前景

雷射功率已不足以描述切割能力的大小,亮度(Brightness)才是。亮度的定義是“單位面積單位立體角的雷射功率”。

對比CO2雷射器、碟片雷射器和光纖雷射器,可以得出這樣的結論:直到5千瓦,以光纖雷射的亮度最大,切割金屬板最快最厚的當屬光纖雷射。但實際上切割厚板尚不如CO2雷射,儘管碳鋼對近紅外的1.07摻鐿光纖雷射的吸收率數倍於中紅外10.6的CO2雷射,但10倍於光纖雷射波長的CO2雷射之切縫比光纖的寬得多(一般2mm),氧氣易於吹入。 這就是CO2雷射46年來一直獨占固體雷射之鰲頭的緣由。第一,國產雷射切割機的量產與自主開發力度的加大,外國一線公司在華本土化的生產,縮小了二者的產品差距與價格差距。用戶對國產機的認同度不斷提高,其在2010年國內市場的占比高達80%。

第二,2010年我國千瓦以上大功率CO2雷射切割機銷量達1000台,占全球市場的20%-25%。上海團結普瑞瑪、大族雷射、武漢法利萊、奔騰楚天等一線廠商都有大幅的增長。最多一家竟占了國內市場的30%。

市場興旺得力於擴大內需,但主要是這種加工手段的魅力,特別在鐵路鋼鐵、工程機械、汽車造船、航空航天和軍工等高端市場的旺盛需求。

2014年市場難料,但可深信一點,2013年大起,2014年絕不會大落,作為製造大國的中國,保有量不會低於10000台。須知2000年前的10年我國的總量才280台。

第三,我國大功率雷射切割裝備的產業鏈遠未形成,尚無自主智慧財產權的新型大功率雷射器,無論雷射器還是切割機的關鍵元部件都得依賴進口。價昂的電容切割頭及作為耗材的光學鏡片等的研發生產,迄今都無人問津。成不了國內配套,進軍海外市場不過是夢想。唯有待到國產整機批量出口之日,才是我國這一產業的形成之時。

第四,光纖雷射是當前的熱門話題。ROFIN與TRUMPF分別收購NUFERN與SPI公司發展光纖雷射已三年,今春上海慕尼黑雷射展上,ROFIN展出了2KW光纖雷射器,但全球高功率光纖雷射器市場依然是IPG一統天下。繼上年SALVAGNINI與LASER PHOTONICS等公司展出用其的光纖雷射器之切割機後,2010年11月在亞特蘭大的FABTECH 與漢諾瓦的EUROBLECH 展會上又推出愈來愈多的光纖雷射切割機。欣喜的是一批海歸博士矢志回國創業,創建了武漢銳科光纖雷射、西安炬光等公司,研發生產高功率光纖雷射器與二極體雷射泵源,相信有自主智慧財產權的4KW連續波光纖雷射器不久將會呈現在國人面前。

發展前景

雷射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,特別適用於自動化加工,雷射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闢了廣闊的前景。透過將雷射束集中在單分子上,ETH Zurich的科學家只用單個分子就產生雷射運作的基本條件──受激發射(stimulated emission)。由於在低溫下,分子會增加它們的外表面積(apparent surface area)來跟光線互動,因此研究人員將分子冷卻到攝氏零下272度,也就是只比絕對零度高1度兩條光束瞄準單分子

在受控制的模式下,利用一道雷射束來讓單個分子進入量子態(controlled fashion),研究人員如此能明顯的縮減或是放大第二道雷射束。這種運作模式與傳統的電晶體如出一轍;電晶體內的電位(electrical potential)能用來調變第二個信號。不過ETH Zurich並未透露其單分子的化學方程式。由於其性能與散熱效能的優勢,光子運算技術是科學家們長期追求的目標;光子(photon)不僅發熱比電子少,也能達到高出相當多的數據傳輸速率。不過光通訊技術卻只能逐步地從長距離通訊,進展到短距離通訊,再進入單系統中。

套用領域

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雷射加工技術是利用雷射束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工以及做為光源,識別物體等的一門技術,傳統套用最大的領域為雷射加工技術。雷射技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術,傳統上看,它的研究範圍一般可分為:

1.雷射加工系統。包括雷射器、導光系統、加工工具機、控制系統及檢測系統。

2.雷射加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微雕等各種加工工藝。

雷射焊接:汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。2013年使用的雷射器有YAG雷射器,CO2雷射器和半導體泵浦雷射器。

雷射切割:汽車行業、計算機、電氣機殼、木刀模業、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、矽橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業使用的鈦合金等等。使用雷射器有YAG雷射器和CO2雷射器。

雷射筆 雷射筆

雷射筆:又稱為雷射指示器、指星筆等,是把可見雷射設計成便攜、手易握、雷射模組(二極體)加工成的筆型發射器。常見的雷射筆有紅光(650-660nm, 635nm)、綠光(515-520nm, 532nm)、藍光(445-450nm)和藍紫光(405nm)等,功率通常以毫瓦為單位。通常在會報、教學、導賞人員都會使用它來投映一個光點或一條光線指向物體,但雷射會傷害到眼睛,任何情況下都不應該讓雷射直射眼睛。

雷射治療:可以用於手術開刀,減輕痛苦,減少感染。

雷射打標:在各種材料和幾乎所有行業均得到廣泛套用,2013年使用的雷射器有YAG雷射器、CO2雷射器和半導體泵浦雷射器。

雷射打孔:雷射打孔主要套用在航空航天、汽車製造、電子儀表、化工等行業。雷射打孔的迅速發展,主要體現在打孔用YAG雷射器的平均輸出功率已由2008年的400w提高到了800w至1000w。國內2013年比較成熟的雷射打孔的套用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產及鐘錶和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業的生產中。2013年使用的雷射器多以YAG雷射器、CO2雷射器為主,也有一些準分雷射器、同位素雷射器和半導體泵浦雷射器。

雷射熱處理:在汽車工業中套用廣泛,如缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理,同時在航空航天、工具機行業和其它機械行業也套用廣泛。我國的雷射熱處理套用遠比國外廣泛得多。2013年使用的雷射器多以YAG雷射器,CO2雷射器為主。

雷射快速成型:將雷射加工技術和計算機數控技術及柔性製造技術相結合而形成。多用於模具和模型行業。2013年使用的雷射器多以YAG雷射器、CO2雷射器為主。

雷射塗敷:在航空航天、模具及機電行業套用廣泛。2013年使用的雷射器多以大功率YAG雷射器、CO2雷射器為主。

雷射成像:利用雷射束掃描物體,將反射光束反射回來,得到的排布順序不同而成像。用圖像落差來反映所成的像。雷射成像具有超視距的探測能力,可用於衛星雷射掃描成像,未來用於遙感測繪等科技領域。

醫學

雷射在醫學上的套用主要分三類:雷射生命科學研究、雷射診斷、雷射治療,其中雷射治療又分為:雷射手術治療、弱雷射生物刺激作用的非手術治療和雷射的光動力治療。

套用於牙科的雷射系統依據雷射在牙科套用的不同作用,分為幾種不同的雷射系統。區別雷射的重要特徵之一是:光的波長,不同波長的雷射對組織的作用不同,在可見光及近紅外光譜範圍的光線,吸光性低,穿透性強,可以穿透到牙體組織較深的部位,例如氬離子雷射、二極體雷射或Nd:YAG雷射(如圖1)。而Er:YAG雷射和CO,雷射的光線穿透性差,僅能穿透牙體組織約0.01毫米。區別雷射的重要特徵之二是:雷射的強度(即功率),如在診斷學中套用的二極體雷射,其強度僅為幾個毫瓦特,它有時也可用在雷射顯示器上。

用於治療的雷射,通常是幾個瓦特中等強度的雷射。雷射對組織的作用,還取決於雷射脈衝的發射方式,以典型的連續脈衝發射方式的雷射有:氬離子雷射、二極體雷射、CO2,雷射;以短脈衝方式發射的雷射有:Er:YAG雷射或許多Nd:YAG雷射,短脈衝式的雷射的強度(即功率)可以達到1,000瓦特或更高,這些強度高、吸光性也高的雷射,只適用於清除硬組織。

雷射美容

(1)雷射在美容界的用途越來越廣泛。色素沉著,如太田痣、鮮紅斑痣、雀斑、老年斑、毛細血管擴張等,以及去紋身、洗眼線、洗眉、治療瘢痕等;而2013年以前一些新型的雷射儀,高能超脈衝CO2雷射,鉺雷射進行除皺、磨皮換膚、治療打鼾,美白牙齒等等,取得了良好的療效,為雷射外科開闢越來越廣闊的領域。

(2)雷射手術有傳統手術無法比擬的優越性。首先雷射手術不需要住院治療,手術切口小,術中不出血,創傷輕,無瘢痕。例如:眼袋的治療傳統手術法存在著由於剝離範圍廣、術中出血多,術後癒合慢,易形成瘢痕等缺點,而套用高能超脈衝CO2雷射儀治療眼袋,則以它術中不出血,不需縫合,不影響正常工作,手術部位水腫輕,恢復快,無瘢痕等優點,令傳統手術無法比擬。而一些由於出血多而無法進行的內窺鏡手術,則可由雷射切割代替完成。(註:有一定的適應範圍)

(3)雷射在血管性皮膚病以及色素沉著的治療中成效卓越。使用脈衝染料雷射治療鮮紅斑痣,療效顯著,對周圍組織損傷小,幾乎不落疤。它的出現,成為鮮紅斑痣治療史上的一次革命,因為鮮紅斑痣治療史上,放射、冷凍、電灼、手術等方法,其瘢痕發生率均高,並常出現色素脫失或沉著。雷射治療血管性皮膚病是利用含氧血紅蛋白對一定波長的雷射選擇性的吸收,而導致血管組織的高度破壞,其具有高度精確性與安全性,不會影響周圍鄰近組織。因此,雷射治療毛細血管擴張也是療效顯著。

此外,由於可變脈衝雷射等相繼問世,使得不滿意紋身的去除,以及各類色素性皮膚病如太田痣,老年斑等的治療得到了重大突破。這類雷射根據選擇性光熱效應理論,(即不同波長的雷射可選擇性地作用於不同顏色的皮膚損害),利用其強大的瞬間功率,高度集中的輻射能量及色素選擇性,極短的脈寬,使雷射能量集中作用於色素顆粒、將其直接汽化、擊碎,通過淋巴組織排出體外,而不影響周圍正常組織,並且以其療效確切,安全可靠,無瘢痕,痛苦小而深入人心。

(4)雷射外科開創了醫學美容的新紀元。高能超脈衝CO2雷射磨皮換膚術開拓了美容外科的新技術。它利用高能量,極短脈衝的雷射,使老化、損傷的皮膚組織瞬間被汽化,不傷及周圍組織,治療過程中幾乎不出血,並可精確的控制作用深度。其效果得到國際醫學整形美容界充分肯定,被譽為“開創了醫學美容新紀元”;此外,更有高能超脈衝CO2雷射儀治療眼袋、打鼾、甚至雷射美白牙齒等,以其安全精確的療效,簡便快捷的治療在醫學美容界創造了一個又一個奇蹟。雷射美容使得醫學美容向前邁進了一大步,並且賦予醫學美容更新的內涵。

雷射去除面部黑痣

雷射去黑痣的原理就在於將雷射在瞬間爆發出的巨大能量置於色素組織中,把色素打碎並分解,使其可以被巨噬細胞吞併掉,而後會隨著淋巴循環系統排出體外,由此達到將色素去去掉的目的。

雷射去痣可以適用的痣的類型很多,比如包括上面提到的三種色素痣、太田痣、鮮紅斑痣等,療效都很明顯,並且不容易留疤,風險性小。用二氧化碳雷射亦能去黑痣。

雷射治療近視

laser[雷射] laser[雷射]

提示下情況的患者不適合接受雷射治療:第一. 眼部活動性炎症及病變;第二. 眼周化膿性病灶;第三. 已確診的圓錐角膜;第四. 嚴重乾眼症,伴有系統性乾燥綜合徵;第五. 中央角膜厚度低於450μm;第六. 嚴重的眼附屬器病變:眼瞼缺損、變形、慢性淚囊炎等;第七. 全身結締組織病及嚴重自身免疫性疾病,如系統性紅斑狼瘡、類風濕性關節炎、多發性硬化。

相對禁忌證

1.超高度近視伴後鞏膜葡萄腫者;2. 初次手術前角膜中央平均曲率低於39D或高於47D應慎重;3. 暗光下瞳孔直徑大於7mm;4. 對側眼為法定盲眼;5. 2年內曾患單純皰疹性角膜炎;6. 輕度白內障;7. 有視網膜脫離及黃斑出血病史;8. 輕度乾眼症;9. 輕度瞼裂閉合不全;10. 可疑青光眼患者;11. 月經期及妊娠期;12. 瘢痕體質;13. 糖尿病;14. 感冒發燒等身體不適;15. 癲癇;16. 焦慮症、抑鬱症以及對手術期望過高者。

雷射除皺

雷射除皺是通過電腦控制的、低能量的二氧化碳雷射,能準確地控制汽化皮膚表層的深度,完成分層汽化、無碳化的面部除皺護膚技術。雷射用於消除皺紋的技術,是雷射技術套用於臨床以後,並幾經改進、完善與不斷更新後的結果。

原理:皺紋產生的主要原因是皮膚膠原減少,真皮層變薄。運用最新雷射-射頻聯合技術照射皮膚,可使真皮層增厚、減少皺紋,其原理是:刺激受損的膠原層,產生新的膠原質,從而填平因膠原減少而出現褶皺的皮膚;加熱真皮組織層,利用人體自身修復機能刺激組織再生重建,使真皮層增厚。

合理設計的雷射可以通過皮膚中的黑色素、血紅蛋白,尤其是水吸收雷射釋放的能量,並產生光熱效應使之轉化為熱量,從而激活真皮中成纖維細胞等各種基質細胞產生新生的膠原蛋白、彈性蛋白以及各種細胞間基質,並發生組織重構,就象是給慵懶的皮膚做運動一樣,使其通過鍛鍊而重新煥發年輕活力。數次治療之後的皮膚含水量及彈性增加,質地改善,細小皺紋減少。

適應症:1、原發性症狀:[3]口周皺紋、眶周皺紋、萎縮性(凹陷性)疤痕、良性皮膚贅生物(腫瘤);2、皮膚粗糙、毛孔粗大、細小皺紋等皮膚老化表現以及炎性痤瘡或痤瘡後瘢痕等。

高能超脈衝雷射能夠把周圍組織的熱損傷降到最低程度。微小皺紋和凹陷疤痕也可進行精確磨削。超脈衝雷射能避免以往機械磨皮法、化學剝脫術出血多,飛濺的血液、組織細屑可使病毒在病人與病人間、病人與醫務人員間傳播等不足,通過氣化病變組織來徹底消除皮膚損害,並使正常皮膚的熱損傷極小,這一過程的作用時間快於使周圍的正常組織也被加熱的所需時間,具有磨皮去皺的功能。

軍事

雷射武器是一種利用定向發射的雷射束直接毀傷目標或使之失效的定向能武器。根據作戰用途的不同,雷射武器可分為戰術雷射武器和戰略雷射武器兩大類。武器系統主要由雷射器和跟蹤、瞄準、發射裝置等部分組成,2013年通常採用的雷射器有化學雷射器、固體雷射器、CO2雷射器等。雷射武器具有攻擊速度快、轉向靈活、可實現精確打擊、不受電磁干擾等優點,但也存在易受天氣和環境影響等弱點。

雷射武器已有30多年的發展歷史,其關鍵技術也已取得突破,美國、俄羅斯、法國、以色列等國都成功進行了各種雷射打靶試驗。2013年低能雷射武器已經投入使用,主要用於干擾和致盲較近距離的光電感測器,以及攻擊人眼和一些增強型觀測設備;高能雷射武器主要採用化學雷射器,按照現有的水平,今後5—10年內可望在地面和空中平台上部署使用,用於戰術防空、戰區反導和反衛星作戰等。

雷射武器特點高度集束的雷射,能量也非常集中。舉例說;在日常生活中我們認為太陽是非常亮的,但一台巨脈衝紅寶石雷射器發出的雷射卻比太陽還亮200億倍。當然,雷射比太陽還亮,並不是因為它的總能量比太陽還大,而是由於它的能量非常集中。例如,紅寶石雷射器發出的雷射射束,能穿透一張1/3厘米厚的鋼板,但總能量卻不足以煮熟一個雞蛋。

雷射作為武器,有很多獨特的優點。首先,它可以用光速飛行,每秒30萬公里,任何武器都沒有這樣高的速度。它一旦瞄準,幾乎不要什麼時間就立刻擊中目標,用不著考慮提前量。另外,它可以在極小的面積上、在極短的時間裡集中超過核武器100萬倍的能量,還能很靈活地改變方向,沒有任何發射性污染。雷射武器分為三類:一是致盲型。(雷射劍)前面我們講過的機載致盲武器,就屬於這一類。二是近距離戰術型,可用來擊落飛彈和飛機。1978年美國進行的用雷射打陶式反坦克飛彈的試驗,就是用的這類武器。還有科幻電影中,通過對雷射武器的形變,產生的雷射盾翼三是遠距離戰略型。這類的研製困難最大,但一旦成功,作用也最大,它可以反衛星、反洲際彈道飛彈,成為最先進的防禦武器。

雷射怎樣擊毀目標呢?科學家們認為有兩個方面:一是穿孔,二是層裂。所謂穿孔,就是高功率密度的雷射束使靶材表面急劇熔化,進而汽化蒸發,汽化物質向外噴射,反衝力形成衝擊波,在靶材上穿一個孔。所謂層裂,就是靶材表面吸收雷射能量後,原子被電離,形成等離體“雲”。“雲”向外膨脹噴射形成應力波向深處傳播。應力波的反射造成靶材被拉斷,形成“層裂”破壞。除此以外,電漿“雲”還能輻射紫外線或X光,破壞目標結構和電子元件。 雷射武器作用的面積很小,但破壞在目標的關鍵部位上,可造成目標的毀滅性破壞。這和驚天動地的核武器相比,完全是兩種風格。

雷射武器的分類:不同功率密度,不同輸出波形,不同波長的雷射,在與不同目標材料相互作用時,會產生不同的殺傷破壞效應。用雷射作為“死光”武器,不能像在雷射加工中那樣藉助於透鏡聚焦,而必須大大提高雷射器的輸出功率,作戰時可根據不同的需要選擇適當的雷射器。2013年時,雷射器的種類繁多,名稱各異,有體積整整占據一幢大樓、功率為上萬億瓦、用於引發核聚變的雷射器,也有比人的指甲還小、輸出功率僅有幾毫瓦、用於光電通信的半導體雷射器。按工作介質區分,目前有固體雷射器、液體雷射器和分子型、離子型、準分子型的氣體雷射器等。同時,按其發射位置可分為天基、陸基、艦載、車載和機載等類型,按其用途還可分為戰術型和戰略型兩類。

1.戰術雷射武器

戰術雷射武器是利用雷射作為能量,是像常規武器那樣直接殺傷敵方人員、擊毀坦克、飛機等,打擊距離一般可達20公里。這種武器的主要代表有雷射槍和雷射炮,它們能夠發出很強的雷射束來打擊敵人。1978年3月,世界上的第一支雷射槍在美國誕生。雷射槍的樣式與普通步槍沒有太大區別,主要由四大部分組成:雷射器、激勵器、擊發器和槍托。2013年,國外已有一種紅寶石袖珍式雷射槍,外形和大小與美國的派克鋼筆相當。但它能在距人幾米之外燒毀衣服、燒穿皮肉,且無聲響,在不知不覺中致人死命,並可在一定的距離內,使火藥爆炸,使夜視儀、紅外或雷射測距儀等光電設備失效。還有7種稍大重量與機槍相仿的小巧雷射槍,能擊穿銅盔,在1500米的距離上燒傷皮肉、致瞎眼睛等。 戰術雷射武器的"挖眼術"不但能造成飛機失控、機毀人亡,或使炮手喪失戰鬥能力,而且由於參戰士兵不知對方雷射武器會在何時何地出現,常常受到沉重的心理壓力。因此,雷射武器又具有常規武器所不具備的威懾作用。1982年英阿馬島戰爭中,英國在航空母艦和各類護衛艦上就安裝有雷射致盲武器,曾使阿根廷的多架飛機失控、墜毀或誤入英軍的射擊火網。

2.戰略雷射武器

戰略雷射武器可攻擊數千公里之外的洲際飛彈;可攻擊太空中的偵察衛星和通信衛星等。例如,1975年11月,美國的兩顆監視飛彈發射井的偵察衛星在飛抵西伯利亞上空時,被前蘇聯的“反衛星”陸基雷射武器擊中,並變成“瞎子”。因此,高基高能雷射武器是奪取宇宙空間優勢的理想武器之一,也是軍事大國不惜耗費巨資進行激烈爭奪的根本原因。據外刊透露,自70年代以來,美俄兩國都分別以多種名義進行了數十次反衛星雷射武器的試驗。 2013年,反戰略飛彈雷射武器的研製種類有化學雷射器、準分子雷射器、自由電子雷射器和調射線雷射器。例如:自由電子雷射器具有輸出功率大、光束質量好、轉換效率高、可調範圍寬等優點。但是,自由電子雷射器體積龐大,只適宜安裝在地面上,供陸基雷射武器使用。作戰時,強雷射束首先射到處於空間高軌道上的中斷反射鏡。中斷反射鏡將雷射束反射到處於低軌道的作戰反射鏡,作戰反射鏡再使雷射束瞄準目標,實施攻擊。通過這樣的兩次反射,設定在地面的自由電子雷射武器,就可攻擊從世界上任何地方發射的戰略飛彈。 高基高能雷射武器是高能雷射武器與太空飛行器相結合的產物。當這種雷射器沿著空間軌道游弋時,一旦發現對方目標,即可投入戰鬥。由於它部署在宇宙空間,居高臨下,視野廣闊,更是如虎添翼。在實際戰鬥中,可用它對對方的空中目標實施閃電般的攻擊,以摧毀對方的偵察衛星、預警衛星、通信衛星、氣象衛星,甚至能將對方的洲際飛彈摧毀在助推的上升階段。

3.雷射動力推進器

既然太陽不足以推動恆星際太空飛船,於是有科學家提出了雷射動力推進器技術,利用一束強大的雷射讓物體飛行。

雷射雷達(laser radar)是指用雷射器作為輻射源的雷達。雷射雷達是雷射技術與雷達技術相結合的產物 。由發射機 、天線 、接收機 、跟蹤架及信息處理等部分組成。發射機是各種形式的雷射器,如二氧化碳雷射器、摻釹釔鋁石榴石雷射器、半導體雷射器及波長可調諧的固體雷射器等;天線是光學望遠鏡;接收機採用各種形式的光電探測器,如光電倍增管、半導體光電二極體、雪崩光電二極體、紅外和可見光多元探測器件等。雷射雷達採用脈衝或連續波2種工作方式,探測方法分直接探測與外差探測。

通信

雷射通信,是雷射在大氣空間傳輸的一種通信方式。雷射大氣通信的傳送設備主要由雷射器(光源)、光調製器、光學發射天線(透鏡)等組成;接收設備主要由光學接收天線、光檢測器等組成。

信息傳送時,先轉換成電信號,再由光調製器將其調製在雷射器產生的雷射束上,經光學天線發射出去。信息接收時,光學接收天線將接收到的光信號聚焦後,送至光檢測器恢復成電信號,再還原為信息。大氣雷射通信的容量大、保密性好,不受電磁干擾。但雷射在大氣中傳輸時受雨、霧、雪、霜等影響,衰耗要增大,故一般用於邊防、海島、跨越江河等近距離通信,以及大氣層外的衛星間通信和深空通信。

早期的雷射大氣通信所用光源多數為二氧化碳雷射器、氦-氖雷射器等。二氧化碳雷射器輸出雷射波長為10.6微米,此波長正好處在大氣信道傳輸的低損耗視窗,是較為理想的通信光源。從70年代末到80年代中期,由於在技術實現上難以解決好全天候、高機動性、高靈活性、穩定性等問題,雷射大氣通信的研究陷入低潮。

1988年,巴西宣布研製成功一種攜帶型半導體雷射大氣通信系統。這種通過雷射器聯通線路的軍用紅外通信裝置,其外形如同一架雙筒望遠鏡,在上面安裝了雷射二極體和麥克風。使用時,一方將雙筒鏡對準另一方即可實現通信,通信距離為1千米,如果將光學天線固定下來,通信距離可達15千米。1989年,美國成功地研製出一種短距離、隱蔽式的大氣雷射通信系統。1990年,美國試驗了適用於特種戰爭和低強度戰爭需要的紫外光波通信,這種通信系統完全符合戰術任務的要求,通信距離為2~5千米;如果對光束進行適當處理,通信距離可達5~10千米。

90年代初,俄羅斯研製成功了大功率半導體雷射器,並開始了雷射大氣通信系統技術的實用化研究。不久便推出了10千米以內的半導體雷射大氣通信系統並在莫斯科、瓦洛涅什、圖拉等城市套用。在瓦涅什河兩岸相距4千米的兩個電站之間,架設起了半導體雷射大氣通信系統,該系統可同時傳輸8路數字電話。在距離瓦洛涅什城約200千米以及在距莫斯科不遠的地方,也開通了半導體雷射大氣通信系統線路。

隨著半導體雷射器的不斷成熟、光學天線製作技術的不斷完善、信號壓縮編碼等技術的合理使用,雷射大氣通信正重新煥發出生機。

雷射測速

雷射測速是對被測物體進行兩次有特定時間間隔的雷射測距,取得在該一時段內被測物體的移動距離,從而得到該被測物體的移動速度。因此,雷射測速具有以下幾個特點:

1、由於該雷射光束基本為射線,估測速距離相對於雷達測速有效距離遠,可測1000M外;

2、測速精度高,誤差<1公里;

3、鑒於雷射測速的原理,雷射光束必須要瞄準垂直與雷射光束的平面反射點,又由於被測車輛距離太遠、且處於移動狀態,或者車體平面不大,而導致雷射測速成功率低、難度大,特別是執勤警員的工作強度很大、很易疲勞;

4、鑒於雷射測速的原理,雷射測速器不可能具備在運 動中使用,只能在靜止狀態下套用;因此,雷射測速儀不能稱之為“流動電子警察”。在靜止狀態下使用時,司機很容易發現有檢測,因此達不到預期目的;

5、價格昂貴,2013年經過正規途徑進口的雷射測速儀(不含取景和控制部分)價格至少在一萬美金左右。

工業

雷射在工業上,也套用極為廣泛,因為雷射在雷射束聚焦在材料表面的時候能夠使材料熔化,使雷射束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。七十年代後,為了改善和提高火焰切割的切口質量,又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。在工業生產中有一定的適用範圍。

雷射玻璃

雷射玻璃是一種以玻璃為基質的固體雷射材料。它廣泛套用於各類型固體雷射光器中,並成為高功率和高能量雷射器的主要雷射材料。

雷射玻璃由基質玻璃和激活離子兩部分組成。雷射玻璃各種物理化學性質主要由基質玻璃決定,而它的光譜性質則主要由激活離子決定。但是基質玻璃與激活離子彼此間互相作用,所以激活離子對雷射玻璃的物理化學性質有一定的影響,而基質玻璃對它的光譜性質的影響有時還是相當重要的。

雷射冷卻

雷射冷卻(laser cooling)利用雷射和原子的相互作用減速原子運動以獲得超低溫原子的高新技術。這一重要技術早期的主要目的是為了精確測量各種原子參數,用於高解析度雷射光譜和超高精度的量子頻標(原子鐘),後來卻成為實現原子玻色-愛因斯坦凝聚的關鍵實驗方法。雷射冷卻有許多套用,如:原子光學、原子刻蝕、原子鐘、光學晶格、光鑷子、玻色-愛因斯坦凝聚、原子雷射、高解析度光譜以及光和物質的相互作用的基礎研究等等。

雷射光譜

光譜(laser spectra)以雷射為光源的光譜技術。與普通光源相比,雷射光源具有單色性好、亮度高、方向性強和相干性強等特點,是用來研究光與物質的相互作用,從而辨認物質及其所在體系的結構、組成、狀態及其變化的理想光源。雷射的出現使原有的光譜技術在靈敏度和解析度方面得到很大的改善。由於已能獲得強度極高、脈衝寬度極窄的雷射,對多光子過程、非線性光化學過程以及分子被激發後的弛豫過程的觀察成為可能,並分別發展成為新的光譜技術。雷射光譜學已成為與物理學、化學、生物學及材料科學等密切相關的研究領域。

雷射感測器

雷射感測器(laser transducer)利用雷射技術進行測量的感測器。它由雷射器、雷射檢測器和測量電路組成。雷射感測器是新型測量儀表,它的優點是能實現無接觸遠距離測量,速度快,精度高,量程大,抗光、電干擾能力強等。雷射是最準的尺。

雷射測雲儀

利用雷射在大氣層中的衰減來判斷雲層。具體的是當雷射在大氣層中傳越時,由於發射的能量與接收的能量之間有能量差,利用能量的衰減度與雲層的水分子的含量多少來判斷雲層結構和距離的儀器。

核聚變

我國著名物理學家王淦昌院士1964年就提出了雷射核聚變的初步理論,從而使我國在這一領域的科研工作走在當時世界各國的前列。1974年,我國採用一路雷射驅動聚氘乙烯靶發生核反應,並觀察到氘氘反應產生的中子。此外,著名理論物理學家于敏院士在20世紀70年代中期就提出了雷射通過入射口、打進重金屬外殼包圍的空腔、以 X光輻射驅動方式實現雷射核聚變的概念。1986年,我國雷射核聚變實驗裝置“神光”研製成功,聶榮臻元帥還專門寫信祝賀。

研究進展

操作雷射

美國德克薩斯州大學的科學家研製出世界上功率最強大的可操作雷射,這種雷射每萬億分之一秒產生的能量是美國所有發電廠發電量的2000倍,輸出功率超過1 拍瓦-相當於10的15次方瓦。這種雷射第一次啟動是在1996年。馬丁尼茲說,希望他的項目能夠在2008年打破這一紀錄,也就是說,讓雷射的功率達到1.3拍瓦到1.5拍瓦之間。超級雷射項目負責人麥卡爾·馬丁尼茲表示:“我們可以讓材料進入一種極端狀態,這種狀態在地球上是看不到的。我們打算在德州觀察的現象相當於進入太空觀察一顆正在爆炸的恆星。”

雷射“抓住” 碳納米管 並使之移動

美國伊利諾州紐約大學的科學家和一家光學公司的科研人員試驗了一種名為“光學捕獲”的技術,試圖更便利地操縱碳納米管。光學捕獲技術就是利用雷射能捕獲微小粒子的能力,在移動雷射束時使微小粒子跟隨雷射移動。由於雷射能捕獲微小粒子,因此在它移動時就會像鑷子一樣,“夾”著微小粒子移動。科學家把這種現象稱為“雷射鑷子”。2013年時生物學家已能用雷射鑷子夾住單個細胞。例如,從血液中分離出單個血紅細胞用於研究鐮刀狀血紅細胞貧血症或瘧疾治療研究。雷射鑷子能“夾”住微小粒子,是因為雷射束中心強度大於邊緣強度,因此當雷射束照射一個微小粒子時,從中心折射的光線要比向前的光線多。

當折射的光線獲得向外的衝力時,粒子上的反作用力就使衝力指向雷射束中心,因此粒子總是被吸引到雷射束中心。如果粒子非常小且具有很小的重力或摩擦力,當雷射束移動時,粒子就會跟著移動。

然而,雷射鑷子移動的血細胞直徑有幾微米,但2013年以前要移動直徑僅2~20納米的碳納米管會麻煩得多。因此想利用單個雷射鑷子移動大量碳納米管到一定位置,可能會與用原子力顯微鏡一樣費事。

為此,科學家用一種液晶雷射分離器把雷射束分成200個可單獨控制的小雷射束,研究人員可以控制這些雷射束使之形成三角形、四邊形、五邊形和六邊形等形狀,從而移動大量的納米管群,使它們在顯微鏡載片表面定位,達到移動碳納米管的目的。

光學捕捉技術的成功,受到美國加利福尼亞大學的納米管專家、物理學家亞歷克斯·澤特爾的稱讚,他說,因為2013年還沒有一種可靠的技術能操縱大量的納米管,而這種新的光學捕獲技術有可能套用於工業。

傳媒實驗

NASA演示雷射束傳視頻實驗 傳速達每秒1000多兆

2014年4月美國國家航空航天局噴氣推進實驗室成功完成了一項光學技術演示驗證實驗,其特定程式“雷射通訊科學的光學有效載荷”(OPALS)可將NASA未來太空飛行器的通信速率提高10至100倍。這是NASA第一次在軌道實驗室試驗光通信。

在太空任務中,使用的科學儀器越來越需要更高的通信速率將收集到的數據傳送回地球,或者支持高數據速率的套用,如高清視頻流。光通信也稱為“雷射通信”,是一種新興的通過雷射束傳送數據的技術。其可提供更高的數據速率,超過當前採用的射頻(RF)傳輸速度,並且具有在頻帶操作不受當前美國聯邦通信委員會監管的優點。

該項目經理馬特·亞伯拉罕森表示,光通信已具有改變遊戲規則的潛力。許多深空探測飛行任務在執行每秒200到400千比特的通信任務。OPALS將展示高達每秒50兆比特的傳輸速度,未來深空光通信系統甚至會提供每秒1000多兆比特的傳速。

首次捕捉

2015年1月27日,《新科學家》(New Scientist)報導,利用能探測到單光子,每秒200億幀的超高速攝像機,科學家首次捕捉到了雷射在空氣中飛行的畫面。在10分鐘內,研究者記錄了光子與空氣碰撞時產生的200萬次雷射脈衝。該技術可用於巡查環境角落,顯示螢幕上看不到的物體,還可用在需要精準計量時間信息的地方。

蘇格蘭赫利瓦特大學的主要研究者加里皮說:“這是我們第一次看到光經過身邊時的情形。”在通常情況下,科學家只能通過物體上的反射來看到光。想看到雷射器發出的雷射則更加棘手,因為光子是在聚焦光束中運動,而且方向都相同。

拍攝影像 拍攝影像

該相機由愛丁堡大學開發,其感光部件由單光子光敏像素陣列構成。這些像素有兩種特性:一是對單個光子敏感的能力——每個像素的敏感性是人眼的10倍左右;二是它們的速度——每個像素被激活只要67皮秒(萬億分之一秒),比人眨一下眼的時間要快10億倍。“這些特性讓我們能實現‘飛光成像’。”里奇說,當光在空中飛行,從物體上散射開來時,這種成像方法連光本身也能拍下來。

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超快雷射器

超快雷射器 是太阿雷射基於SESAM鎖模技術的Amberpico系列皮秒雷射器、Amberfemto系列飛秒雷射器開發的雷射器。 Amberpico系列皮秒雷射器具有超短脈衝寬度(小於15ps)、高單脈衝能量(最大單脈衝能量30mJ)、高重複頻率(1kHz以上)和值得信賴的優良輸出性能, Amberfemto系列飛秒雷射器脈衝寬度小於200fs,重複頻率1Hz—100kHz可選,具有優異的空間模式和卓越的功率穩定性。可以實現高效的二倍頻、三倍頻、甚至四倍頻光的輸出。波長範圍遍及紅外、綠光、紫外,波長最短可以達到266/263nm。

皮秒連續鎖模雷射器

laser[雷射] laser[雷射]

皮秒連續鎖模雷射器就是脈衝寬度壓縮到ps量級(10-12s) 的“超短”脈衝連續鎖模雷射器。按照泵浦方式,可以分為燈泵浦皮秒連續鎖模雷射器和半導體泵浦皮秒連續鎖模雷射器;按照鎖模方式,可以分為半導體可飽和吸收體連續鎖模皮秒雷射器和染料連續鎖模皮秒鎖模雷射器;按照雷射媒質,可以分為固體皮秒連續鎖模雷射器和光纖皮秒連續鎖模雷射器等。 一般採用半導體可飽和吸收鏡作為鎖模器件,LD泵浦的皮秒連續鎖模雷射器。所謂半導體可飽和吸收鏡,一般是採用外延法將半導體可飽和吸收體直接生長在半導體布拉格反射鏡上,因此被叫做可飽和半導體布拉格反射鏡(Saturable Bragg Reflector,簡稱SBR)或半導體可飽和吸收鏡(Semiconductor Saturable Absorber Mirror,簡稱SESAM)。

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