物理学与激光技术的发展

物理学与激光技术的发展姓名：任玥 专业:小教1002 学号：1505100221摘要：本文从激光技术的起源出发介绍了激光技术发展的物理学基础，同时举例 说明了几十年来激光技术在军事、医学、工农业生产、能源动力、通信、信息处 理、文化艺术、科研等各个领域等各个领域的发展及应用，展现了激光技术产生 后对人类社会的重大影响。同时，本文还介绍了激光技术本身及其提供的研究手 段对物理学科发展的促进和推动作用。关键词：激光技术 物理学 激光应用发展21世纪知识经济占主导地位，大力发展高新技术是迎接知识经济时代到来 的必然选择。目前全球业界公认的发展最快的、应用日趋广泛的最重要的高新技 术就是光电技术，他必将成为21世纪的支柱产业。而在光电技术中，其基础技 术之一就是激光技术。激光技术必将推动人类科学技术的革命和进步。激光一词源于受辐射光放大的缩写。1960年，美国物理学家梅曼做成了第 一台红宝石激光器。由此而发展起来的激光技术也是现代最活跃的科学技术之一， 40多年来，以激光器为基础的激光技术有了迅速的发展，已广泛地应用于各个 领域，取得了相当好的经济效益和社会效益。激光技术与应用发展离不开物理学的指导与推动，物理学的理论指导大大的 推动了激光技术的快速全面发展，而激光应用本身及其提供的研究手段又促进了 物理学的发展。下面我将从几大方面来谈物理学与激光技术的发展。一.激光技术发展的物理学基础光物理的基础研究孕育了激光器的诞生。早在19世纪，物理学家们就进行 了基础性探究性的研究，科学家门进行了关于电磁波的卓越研究，1900年普朗 克引入了能量量子概念。到了 20世纪，1905年，伟大的科学家爱因斯坦提出了 光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性，在1916年他发表了关 于辐射的量子理论，其中提出了受激发射的概念，为激光技术提供了理论基础。 20世纪40年末，50年代初，人们在研究微波波谱学时注意到利用物质体系特定 能级间粒子数分布的反转和相应的受激辐射过程，对入射的微波电磁辐射信号进 行相干放大的可能。在此设想的启发下，美国和苏联的两国科学家分别在1954 年前后研制成一批微波激射器。很自然地，人们想到用相同原理推广到电磁波谱 的光频波段，以产生强的相十光辐射。1958年，美国物理学家肖格和汤斯发表 题为红外与光学激射器的论文，提出了研制激光器的可能性和有关条件的设 想。1960年，美国的梅曼博士，在纽约宣布他于5月15日研制成了红宝石激光 器。这是世界上第一束激光。从此，激光走向新技术的开发和工程应用阶段。无论是激光器的开发研究还是激光器的基本原理都与物理息息相关，可以 说物理的基础孕育了激光技术的诞生，同时也推动着激光技术走向更加广阔的 应用和发展。二.激光技术的发展和应用四十多年来，激光器的品种迅速增加。择其主要，囊括固体激光器，半导体 激光器，固体激光器，化学激光器，自由电子激光器，x射线激光器，准分子激 光器，分子激光器金属蒸气激光器等。进一步发展波长调谐及超短光脉冲仍是一个重要方面。钛宝石激光器可在 660982nm波长范围输出，因此可用它制成可调谐激光器，并且由于它的线宽 超过通常的若丹明类染料，因此有可能利用它获得短于6fs的光脉冲。为了迎接21世纪生物学时代，发展紫外激光器十分重要，因为核酸碱基吸 收峰在260nm附近，氨基酸吸收峰在280nm附近。再者，为了进行对核酸和蛋白 质结构的拍照，需要发展X射线激光器。展望未来，激光技术必将有更多的创新，在各领域中更广泛地推广应用激光 技术，为发展经济、造福人民、加强国防作出更大贡献。因为激光具有高超的方 向性、独特的单色性、巨大的亮度、优异的相干性和闪光时间极短等特性，所以 它的应用很广，影响深远。从激光诞生40多年的发展，择其主要从以下几方面 进行探讨。1. 激光技术为多领域提供理信息载体1970年，制造出光损耗极低的石英光导纤维和适于作光通信光源的双异质 结半导体激光器，光纤通信进入飞速发展和广泛应用时期。由于激光光波频率很 高，在10131015赫之间，比微波频率高103倍，使通信信道数剧增，可以同 时传递多个信号互不干扰。激光通信还具有传送图象分辨率高、相对频率稳定度 高等优越性，它能完全担负起21世纪建设全球信息高速公路的重任。激光照排、 激光分色、激光打印等技术带来了出版印刷业的革命和办公自动化。以激光为识 别光源的条码已广泛用于商品、邮件、图书、档案的管理，显著提高了工作效率。2. 激光为生产提供高效工具激光加工、准直和检测已经普及，大大提高了生产效率、产品质量，节约了 原材料和动力消耗。在汽车工业、机械工业、造船工业和电子工业中，激光打孔、 切割、划片、焊接、集成电路的封装、阻值微调、芯片清洁、汽车车身钢板表面 的毛化、汽缸内壁表面改造等等都已经离不开激光。激光准直已普遍用于建筑施 工、矿山巷道掘进、大型设备安装和农田水利建设。激光检测有的用于在线检测， 控制产品尺寸、精确定位或控制液面高度；有的用于成品的无损探伤；有的用于 检测精密光学、机械零件的表面光洁度、平整度和曲率半径；有的用于危险物质 泄露的监测。3. 光在医学方面的广阔应用激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗，前者是以激光作为 信息载体，后者则以激光作为能量载体。多年来，激光技术已成为临床治疗的有 效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学 的发展做出了贡献。当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面：光动力疗法治癌；激光 治疗心血管疾病;激光治疗前列腺良性增生;激光美容术;激光纤维内窥镜手术； 激光腹腔镜手术；激光胸腔镜手术；激光碎石术；激光外科手术；激光在吻合术 上的应用；激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用；弱激光疗法等。4. 激光对农业发展的推动作用激光作为一种新技术，已经在农业上发挥了越来越重大的作用。利用激光照 射种子，能够引起作物的性状发生变异，增加农业作物的产量。激光技术培育出 的大豆、油菜、豆角、蕃茄、棉花等产量和营养价值都有了显著提高。激光在农 业的运用还可以用来改良果树，加强生物固氮工程研究等。5. 激光技术开辟了崭新的军事应用激光测距仪是激光在军事上应用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了 火炮射击精度。激光武器按其功能的不同，可分为用于致盲、防空的战术激光武 器和用于反卫星、反洲际弹道导弹的战略激光武器。激光制导和激光测距极大地 提高了炮弹、炸弹和战术导弹的首发命中率和命中精度；光纤通信和激光大气通 信是军事指挥控制通信网的重要组成部分；武器平台内部的光纤数据总线既有强 的抗干扰能力又无电磁波泄漏。激光武器被认为是反导弹、反卫星的最佳选择之 一。可见，激光技术已渗透到各种武器平台，成为高技术局部战争的重要支柱和 显著特征。三激光技术本身及其提供的研究手段对物理学的发展的促进作用1.激光技术促进发展物理科研技术光谱分析是研究物质结构的重要手段，光谱分析引入激光技术后，从多个方 面扩展和增强了光谱分析能力，包括分析灵敏度大幅度提高，光谱分辨率达到超 精细程度，可进行超快光谱分析，同时把相干性和非线性引人光谱分析，也使得 光谱分析用的光源波长可调谐。计量基准引入激光技术。1889年国际计量大会将米原器定为长度基准，1960 年改为Kr-86灯，精度提高100倍；1983年又改为稳频激光器的频率，精度再 提高一倍。目前，已用激光来定义时间单位一秒和质量自然基准，还有可能用激 光技术来定义温度、光度等物理量的基准。激光冷却原子实验的成功，意味着原子囚禁技术将进一步提高原子频标的稳 定性和精度。这对于测定基本物理常数和原子、分子的能级结构，验证基础科学 研究得出的结论具有十分重要的意义。超远程高精度激光测距使测距方法更为先进准确快速。利用高精度测距仪， 已积累了大量数据，用于改进地球重力场模型，研究地球大陆板块漂移、极移、 固体潮，还用于研究宇宙膨胀过程中内在重力是否减弱；对月球表面由宇宙飞船 登月时放置的角反射器阵的观测数据已用于研究月球轨道的微小变动及其对地 球的影响。这些研究有助于精确守时和惯性导航以及确证广义相对论。2激光技术对物理学科发展的作用非线性光学成为物理学科研究领域。非线性光学现象虽然早就被发现，但 是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科是从激光出现后才开始的。激光的 介入，迅速出现大量非线性光学效应；非线性光学效应研究从固体扩展到气体、 原子蒸气、液体、液晶等各类材料，由二阶效应发展到三阶、五阶以至更高阶效 应，。同时，研制出各种非线性晶体、有机非线性材料和非线性光学元器件。全息术是1947年D.伽柏为了提高电子显微镜分辨率而提出的设想，并于次 年用汞灯首次获得了全息图及其再现像，1971年为此获得诺贝尔物理学奖。然 而，由于光源相十性的限制，全息术在50年代进入低潮。激光的出现为全息术 的发展开辟了广阔前景，如今全息术已在三维图像存储和再现、防伪、检测、干 涉量度等领域广泛应用，全息存储也呈现美好前景，全息光学元件被广泛使用。激光还在物理学与其它基础科学的交叉学科研究中，发挥了巨大的推动作 用，如化学物理学，生物物理学，如激光为手段的分子雷达成为生命活细胞研究 的工具等。四.个人对激光技术的看法和认识学习了现代物理课程和查阅了相关资料后，我对激光技术的原理发展和应用 也有了基本的认识和了解。激光是继原子能、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”。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。21世纪的激光技术与产 业的发展将支撑并推进高速、宽带、海量的光通信以及网络通信，并将引发一场 照明技术革命，小巧、可靠、寿命长、节能半导体将主导市场，此外将推出品种 繁多的光电子消费类产品，如数码相机、新型彩电、掌上电脑电子产品、智能 手机投影和成像、激光打印、传真和复印等以及新型的信息显示技术产品并进入 人们的日常生活中。对我自己来说激光最重要的应用包括：1.激光定位，由于激光的纯净特性， 和高精度特性，使用激光技术的产品有很高的可靠性，比如使用激光的鼠标，分 辨率会更高，更容易控制2.激光治疗，对某些身体表面的皮肤比如胎记，可以 通过激光进行去除3.日常使用激光进行测距，速度快而且不受环境影响。激光渗透于我们日常生活的方方面面，无论是通信，医疗，农业，军事，各 个方面领域都对我们的生活产生了中的而深远的影响。而对激光技术的研究和应 用必将持续高速发展，更有效的推动整个人类社会的进步。如今，激光技术在各个领域的应用越来越广泛，从诞生到现在，激光从基本 理论、基本技术到制造工艺，逐步走向了成熟，为进一步的发展奠定了基础，激 光技术为信息技术开拓了丰富的频率资源；并且以后会继续推动着激光技术的飞 速发展，激光技术的发展必将为我们人类的生产生活提供更多的便利。参考文献：1 孟绍贤，王志娟，激光与未来世界，自然杂志，1991, 14（1），412 刘博，世纪回顾丛书20世纪的科学技术，新时代出版社，1998, 23 梅遂生，激光技术的40年，大学物理，2000, 19（7），34 林鸿溢，激光的奇异性与技术应用，现代物理知识，2000, 12（6），225 陈敬全，激光：20世纪科学之光，科学，2000, 52（6），346 徐全展，李儒新，超强超快激光的特点与发展，科学，2001，53（6），67 蓝信矩，激光技术，华中科技大学出版社，1995，12