简述激光技术的发展史与应用前沿

.本科生课程作业（论文）简述激光技术发展史与应用技术前沿姓名：李兵学院:应用数理学院学号：130612172015年9月13日简述激光技术发展史与应用技术的普及摘 要20世纪以来物理学的基础研究不断推进科技的发展。直至21世纪，我们无时无刻不享用着新技术给我们生活带来的便利。而在各个领域均大规模投入使用的激光技术已经说明现代电子技术的先进性。本文将结合课上所学内容，着重介绍激光技术概念的提出及激光器问世过程；从国内与国外的角度对比主流技术区别，同时简要介绍激光技术的应用。关键词：光的产生；Laser；梅曼；国内；应用普及目 录.第1章 引言第2章 激光概念的提出与激光器的问世2.1自发辐射2.2 Laser概念的问世 2.2.1受激辐射2.3以梅曼的红宝石激光器为开端第3章 国内激光技术的发展3.1第一次听到“激光”3.2早期激光技术的发展第4章 激光技术的应用 4.1激光器的构成4.2激光器的特点4.3国内外前沿 4.3.1国外：世界上最大的激光器 4.3.2国内：矢量漩涡光束激光器研究取得突破参考文献第1章 引言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”。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 1917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。第2章 激光概念的提出与激光器的问世2.1自发辐射 自发辐射是原子在真空场作用下发生的跃迁。空间中即使没有人为施加的辐射场，也会自发地存在零点场，即辐射场模n=0的真空场。在这种辐射场的作用下，原子就会自发地从上能级跃迁到下能级，同时向辐射场发射一个能量为h的光子 。自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。通俗的说，自发辐射就是在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级（激发态）向低能级（基态）跃迁，同时辐射出一个光子的过程。2.2 Laser概念的问世 2.2.1受激辐射它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。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，即一个光子变成两个光子，这就叫做“受激辐射的光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radition），简称激光(laser)。激光主要有四大特性：激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性（单色性与相干性意义相同）。2.3以梅曼的红宝石激光器为开端受激辐射提出后，陆续有科学家进行研究。如1916-1930年间拉登堡及其合作者对氖的色散的研究并于1933年绘制出色散系数随放电带电流密度变化的曲线。1940年，法布里坎特首先注意到了负吸收现象。这一阶段发展并不迅速。1947年，也就是第二次世界大战之后，兰姆和雷瑟夫指出通过粒子数反转可以受激辐射，从此激光理论的研究开始突破。1952年帕塞尔及其合作者实现了粒子数反转，观察到了负吸收现象。第二年，韦伯产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁波的思想，进而提出了微波辐射器的原理。1957年斯科威尔实现了固体顺磁微波激射器。既然微波可以激发受激辐射，那么红外乃至可见光等也应该可以。1958年Arthur L. Schawlow 和Charles H. Townes发表了著名的“红外与光学激射器”一文，1959年汤斯提出了建造红宝石激光器的建议。在全世界顶尖的实验室都争取第一个发明激光器的情况下，梅曼从Arthur L. Schawlow 和Charles H. Townes两位学者的研究中得到启发，在1960年5月15日，成功制成了世界上第一台可操作的波长为0.6943微米的红宝石激光器。他将直径1cm、长2cm的红宝石两端先镀上银膜，在其一端开个小孔让激光输出，将红宝石晶体放在螺旋氙闪光灯中，然后将他们放进高反射的圆筒内，创造出了相干脉冲激光光束，这一成果后来震惊了全世界。这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。从此，世界激光研究大戏正式拉开序幕。第3章 国内激光技术的发展3.1第一次听到“激光”“激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Light Amplification by Stimulated Emission of Radition取字头组合而成的专门名词，在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器” 、“光受激辐射放大器”等。1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。3.2早期激光技术的发展1957年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称“光机所”）。在老一辈专家带领下，一批青年科技工作者迅速成长，邓锡铭是其中的突出代表。早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发 表不久，他便积极倡导开展这项新技术研究，在短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍，提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。1960年世界第一台激光器问世。1961年夏，在王之江主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功。此后短短几年内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果。各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，显示出强大的生命力和竞争力。通信方面，1964年9月用激光演示传送电视图像，1964年11月实现330公里的通话。工业方面，1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产，获得显著经济效益。医学方面，1965年6月激光视网膜焊接器进行了动物和临床实验。国防方面，1965年12月研制成功激光漫反射测距机（精度为10米/10公里），1966年4月研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。我国各类激光器的“第一台”名 称 研制成功时间 研 制 人 He-Ne激光器 1963年7月 邓锡铭等 掺钕玻璃激光器 1963年6月 干福熹等 GaAs同质结半导体激光器 1963年12月 王守武等 脉冲Ar+激光器 1964年10月 万重怡等 CO2分子激光器 1965年9月 王润文等 CH3I化学激光器 1966年3月 邓锡铭等 YAG激光器 1966年7月 屈乾华等 可以说，在起步阶段我国的激光技术发展迅速，无论是数量还是质量，都和当时国际水平接近，一项创新性技术能够如此迅速赶上世界先进行列，在我国近代科技发展史上并不多见。这些成绩的取得，尤其是能够把物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件，主要得力于光机所多年来在技术光学、精密机械和电子技术方面积累的综合能力和坚实基础。第4章 激光技术的应用4.1激光器的构成激光器主要由三部分组成，一是激光工作介质，固体气体液体都可以作为工作介质，不过并不是所有物质都可以用作激光辐射，一个要求就是介质必须有亚稳态的能级结构；二是激励源，也是激光器的能量来源，用以实现工作介质的粒子数反转，可以有电光热和化学等多种激励方式；三是谐振腔，通过光学谐振腔进行光放大和选择，从而产生高能激光。4.2激光器的特点激光的特点主要有四点，一是方向性好，激光束偏离轴线的发散角往往非常小，甚至可以用来测量地球到月球的精确距离（发射到38万公里外的月球形成的光斑直径不超过一公里）；二是亮度高，激光功率在空间高度集中，亮度是普通太阳光的百万倍；三是单色性好，比如氪激光的波长范围只有4.7微埃，比原来个公认单色性最好的氪灯高出数个数量级；四是相干性好，激光器输出的光子频率、偏振、相位和传播方向都完全一致，这使得很多光学实验的精度大大提高。4.3国内外前沿 国外经历60年左右的发展，激光技术已经在欧洲及美国的带领下完成了几次重要技术的革新，而且全方面提升了激光器性能并将技术投入到各方面生产活动中。而中国在起步阶段与国外并驾齐驱，但由于社会原因，中断了激光器及激光技术的研究，导致与国外形成了领域差距。下面简要介绍一下国内外激光技术最新研究成果和课题方向。4.3.1 国外：世界上最大的激光器欧洲正与美国等科学家正研制的世界上最强大的激光器，有助于研究人员洞悉宇宙是如何形成的。它叫做“高重频先进千兆兆瓦激光系统(HAPLS)”，将在欧洲捷克共和国部署安装，它能够在30飞秒（飞秒为1015秒）内产生30焦耳的能量，产生的功率峰值超过1拍瓦（1015瓦），目前HAPLS激光系统的第一个关键部件“二级管泵固体激光器”由美国能源部劳伦斯利弗莫尔实验室（LLNL）负责设计、建造，已经完成组装并被部署安装至捷克共和国的欧洲极端光基础设施（ELI）中，标志着这个巨大项目的第一阶段施工告一段落。HAPLS能够在百万亿分之一秒内释放超强激光束，释放出的光比地球上所有发电站发出的光还要强大10万倍。因类似科幻电影星球大战中黑武士达斯维达(DarthVader)的激光焊接基地而被昵称为“死星激光器”。“二级管泵固体激光器”功率放大器将使用掺钕玻璃放大器板（这与美国国家点火装置相同），在10赫兹重频的情况下产生3.2兆瓦的镭射功率，其作用是为第二个组成系统即“啁啾脉冲放大器短脉冲激光器”提供能量。在“二级管泵固体激光器”的输出端，利用频率转换器使频率加倍，从红外转变成绿光频率，以匹配短脉冲激光器的吸收谱带要求。HAPLS的短脉冲激光系统将使用掺钛蓝宝石作为放大介质，可从“二级管泵浦固体激光器”的能量转换成脉宽为30飞秒、能量为30焦耳、峰值功率超过1拍瓦的激光脉冲。HAPLS将安装在位于欧洲捷克共和国的欧洲极端光基础设施（ELI）中，该设施目前仍在建设当中。HAPLS两个激光系统由美国能源部劳伦斯利弗莫尔实验室负责设计、建造和组装。HAPLS系统计划在2016年从美国运往欧洲，并将在2017年进行首次试验。HAPLS能够产生超短、高能激光脉冲，这种脉冲可以作为二次源产生电磁辐射（如高亮度X射线）或加速带点粒子（电子、质子或离子）。这种激光技术在物理、医学、生物学和材料科学领域都有应用。4.3.2国内：矢量漩涡光束激光器研究取得突破中国科学院上海光学精密机械研究所信息光电实验室研究员李建郎课题组在新型固体激光器研究中，同时实现了具有矢量偏振和螺旋相位的激光光束输出。矢量、涡旋光束是在光束横截面内同时具有非均匀偏振态和螺旋位相结构的新型激光光束。与其他激光光束相比，矢量光束可被高数值透镜聚焦更小的尺寸，并且在焦点处可形成极强的纵向电场或者纵向磁场，因此在粒子捕获、生物光镊、高分辨率显微镜技术、带电粒子加速以及高精度材料加工等领域有非常重要的应用。而涡旋光束则由于具有螺旋位相，该光束中的光子带有轨道角动量，并可将轨道角动量传递给处于光场中的微粒（分子、原子、电子和等离子体等）上从而导致其沿圆周轨道运动。通过各种方式分别产生矢量光束和螺旋相位光束一直是激光光学研究领域的热点之一，但利用激光器直接输出同时具有矢量偏振和螺旋相位的激光束尚未见报道。李建郎课题组在研究中，首先利用粗芯径、大数值孔径的多模光纤，通过离焦耦合将激光二极管输出的808纳米多横模激光光束转换为空心光束，然后利用该空心光束从端面泵浦一个微片激光器。该激光器仅由一块掺杂钕离子的钇铝石榴石（Nd：YAG）激光晶体和一个平面输出镜组成，在没有采用任何其他腔内元件的情况下，获得了径向偏振和螺旋相位的连续激光输出。在此基础上，通过在激光器腔内插入一块可饱和吸收晶体，实现了径向偏振和螺旋相位的脉冲输出；并且该激光器在高功率运转时，通过轻触激光腔镜，激光器的脉冲输出可转化为切向偏振，同时光束的螺旋相位特性保持不变。参考文献1百度百科：自激辐射；受激辐射；自然光；2激光网:http:/laser.ofweek.com/2010-01/ART-240003-8710-28420749.html；.