激光

激光

1960年一種神奇的光誕生了，它就是激光。激光的英文名稱是 Laser，它是英語短語“受激發(fā)射光放大”中每個實詞第一個字母組成的縮略詞，它包含了激光產(chǎn)生的由來。它一出現(xiàn)就創(chuàng)造了許多奇跡，真可謂“一鳴驚人”。
　　激光的方向性極好，在傳播中始終像一條筆直的線，不易發(fā)散，光強也可以保證。一束激光射出20千米遠(yuǎn)，光斑只有杯口那么大，就是發(fā)射到38萬千米外的月球上，光圈的直徑也不過 2千米，在地球上看去，只是一個明亮的紅點。利用激光的這一特性，科學(xué)家在1962年測出了地球與月球的精確距離。
　　激光具有穿透透明物質(zhì)的能力，用它治療眼睛效果特佳。我們知道，眼睛有個透明的外罩，即角膜，還有個血管交織的視網(wǎng)膜，當(dāng)視網(wǎng)膜出了問題需要修補時，視網(wǎng)膜在眼球的后邊，所以手術(shù)很難進行。這時如果請激光來幫忙，一切問題就會迎刃而解。
　　1963年，一位名叫弗林克的醫(yī)生利用激光成功地做了視網(wǎng)膜手術(shù)，整個手術(shù)時間才幾千分之一秒，病人甚至不需要麻醉，也不會感到痛苦。
　　激光的相干性很好，用透鏡能把它聚集成極細(xì)的光束，在這束光的作用下，任何材料都會被燒熔、氣化。總光能還不及一只15 瓦燈泡點亮一秒鐘發(fā)出的光能的激光束，就能將1.5米遠(yuǎn)處的一塊厚約2厘米的鋼板打出一個孔。
　　經(jīng)過30多年的發(fā)展，激光現(xiàn)在幾乎是無處不在，它已經(jīng)被用在生活、科研的方方面面：激光針灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光測距儀、激光陀螺儀、激光鉛直儀、激光手術(shù)刀、激光炸彈、激光雷達(dá)、激光槍、激光炮……，在不久的將來，激光肯定會有更廣泛的應(yīng)用。

巨型激光瞬間能量超過全球電力
   在十億分之一秒的瞬間可發(fā)射出相當(dāng)于全球電網(wǎng)數(shù)倍的強大能量，類似物理條件在自然界中只有在核爆炸中心、恒星內(nèi)部或是黑洞邊緣才能找到，而今在上海一個足球場大小的激光器內(nèi)就能實現(xiàn)。這是日前研制成功的我國“神光二號”巨型激光裝置顯示的威力。
　　建在中科院上海光機所的“神光二號”，成百臺光學(xué)設(shè)備集成在一個足球場大小的空間內(nèi)。當(dāng)8束強激光通過空間立體排布的放大鏈聚集到一個小小的燃料靶球時，在十億分之一秒的超短瞬間內(nèi)可發(fā)射出相當(dāng)于全球電網(wǎng)電力總和數(shù)倍的強大功率，從而釋放出極端壓力和高溫，引發(fā)聚變反應(yīng)。
　　“神光二號”可用作科學(xué)實驗，釋放的巨大能量在實驗中產(chǎn)生的極端物理條件，對基礎(chǔ)科學(xué)研究、高技術(shù)應(yīng)用和確保國家安全的新技術(shù)的推出，均有重大意義。
　　“神光”的未來前景誘人。據(jù)專家介紹，核聚變是未來清潔能源的希望所在，估計到本世紀(jì)中葉，科學(xué)家可利用激光聚變技術(shù)，把海水中豐富的同位素氘、氚轉(zhuǎn)化為巨大的、取之不盡的能源。
    “神光二號”的建成，為我國科學(xué)家從海水中獲得能源邁出了可喜的一步。“神光二號”的問世，標(biāo)志我國高功率激光科研和激光核聚變研究已進入世界先進行列。目前，如此精密的巨型激光器只有美國、日本等少數(shù)國家能建造。“神光二號”的總體技術(shù)性能已進入世界前5位。

激光技術(shù)用于各類檢測測量
激光技術(shù)用于檢測工作主要是利用激光的優(yōu)異特性，將它作為光源，配以相應(yīng)的光電元件來實現(xiàn)的。它具有精度高、測量范圍大、檢測時間短、非接觸式等優(yōu)點，常用于測量長度、位移、速度、振動等參數(shù)。當(dāng)測定對象物受到激光照射時，激光的某些特性會發(fā)生變化，通過測定其響應(yīng)如強度、速度或種類等，就可以知道測定物的形狀、物理、化學(xué)特征，以及他們的變化量。響應(yīng)種類有：光、聲、熱，離子，中性粒子等生成物的釋放，以及反射光、透射光、散射光等的振幅、相位、頻率、偏振光方向以及傳播方向等的變化。
   ◆激光測距 　　激光測距的基本原理是：將光速為C的激光射向被測目標(biāo)，測量它返回的時間，由此求得激光器與被測目標(biāo)間的距離d。即：d＝ct/2   
式中t――激光發(fā)出與接收到返回信號之間的時間間隔。可見這種激光測距的精度取決于測時精度。由于它利用的是脈沖激光束，為了提高精度，要求激光脈沖寬度窄，光接收器響應(yīng)速度快。所以，遠(yuǎn)距離測量常用輸出功率較大的固體激光器與二氧化碳激光器作為激光源；近距離測量則用砷化鎵半導(dǎo)體激光器作為激光源。
    ◆激光測長
　　從光學(xué)原理可知，單色光的最大可測長度L與光源波長λ和譜線寬度Δλ的關(guān)系用普通單色光源測量，最大可測長度78cm。若被測對象超過78cm，就須分段測量，這將降低測量精度。若用氦氖激光器作光源，則最大可測長度可達(dá)幾十公里。通常測長范圍不超過10m，其測量精度可保證在0.1μm以內(nèi)。
    ◆激光干涉測量
　　激光干涉測量的原理是利用激光的特性－相干性，對相位變化的信息進行處理。由于光是一種高頻電磁波，直接觀測其相位的變化比較困難，因此使用干涉技術(shù)將相位差變換為光強的變化，觀測起來就容易的多。通常利用基準(zhǔn)反射面的參照光和觀測物體反射的觀測光產(chǎn)生的干涉，或者是參照光和通過觀測物體后相位發(fā)生變化的光之間的干涉，就可以非接觸地測量被測物體的距離以及物體的大小，形狀等，其測量精度達(dá)到光的波長量級。因為光的波長非常短，所以測量精度相當(dāng)高。
    ◆激光雷達(dá)
    激光雷達(dá)是用于向空中發(fā)射激光束，并對其散射信號光進行分析與處理，以獲知空氣中的懸浮分子的種類和數(shù)量以及距離，利用短脈沖激光，可以按時間序列觀測每個脈沖所包含的信息，即可獲得對象物質(zhì)的三維空間分布及其移動速度、方向等方面的信息。如果使用皮秒級的脈沖激光，其空間分辨率可以達(dá)到 10cm以下。激光照射在物體上后，會發(fā)生散射，按照光子能量是否發(fā)生變化，散射分為彈性散射和非彈性散射兩種類型。彈性散射又有瑞利散射和米氏散射之分。相對于激光波長而言，散射體的尺寸非常小時，稱為瑞利散射；與激光波長相當(dāng)?shù)纳⑸洌Q之為米氏散射。瑞利散射強度與照射激光波長的四次方成反比，所以，通過改變波長的測量方式就可以和米氏散射區(qū)別開。相應(yīng)地，非彈性散射也有拉曼散射和布里淵散射兩種。拉曼散射是指光遇到原子或分子發(fā)生散射時，由于散射體的固有振動以及回轉(zhuǎn)能和能量的交換，致使散射光的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。拉曼散射所表現(xiàn)出的特征，因組成物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)的不同而不同，因此，將接收的散射光譜進行分光，通過光譜分析法可以很容易鑒定分子種類。所以，通過測量散射光，就可以測定空氣中是否有亂氣流（米氏散射），以及CO、NO等各種大氣污染物的種類及數(shù)量（拉曼散射）。由此可見，激光雷達(dá)技術(shù)在解決環(huán)境問題方面占據(jù)著舉足輕重的位置。

激光測距儀
上世紀(jì)九十年代初，歐美等幾大公司相繼生產(chǎn)出可供商用的半導(dǎo)體激光二極管，使激光的實際應(yīng)用價值發(fā)生了革命性的進步。其他種類的激光器由于產(chǎn)生激光的機理過于復(fù)雜，使其體積，重量特別大，功耗高等原因，大大限制了激光的應(yīng)用。而半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)使這些問題迎刃而解。隨著半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進一步成熟，價格逐步降低，其應(yīng)用批量和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，就目前的發(fā)展速度來看，應(yīng)用前景十分看好。　　半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動電源簡單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。如光存儲、激光打印、激光照排、激光測距、條碼掃描、工業(yè)探測、測試測量儀器、激光顯示、醫(yī)療儀器、軍事、安防、野外探測、建筑類掃平及標(biāo)線類儀器、實驗室及教學(xué)演示、舞臺燈光及激光表演、激光水平尺及各種標(biāo)線定位等。
　　半導(dǎo)體激光器的一些獨特優(yōu)點使之非常適合于軍事上的應(yīng)用，如野外測距、槍炮等的瞄準(zhǔn)、射擊模擬系統(tǒng)、致盲、對潛通信制導(dǎo)、引信、安防等。由于可用普通電池驅(qū)動，使一些便攜式武器設(shè)備配置成為可能。
　　目前已開發(fā)出并投放市場的半導(dǎo)體激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中1310nm、1550nm主要用于光纖通訊領(lǐng)域。405nm - 670nm為可見光波段，780nm - 1550nm為紅外光波段，390nm - 370nm為紫外光波段。
激光安全警示和使用注意事項
　　激光器是強度很高的光源輻射器件，大功率的激光器可以用于切割焊接金屬材料，所以激光對人體，特別是人眼有嚴(yán)重傷害，使用時需特別小心。國際上對激光有統(tǒng)一的分類和統(tǒng)一的安全警示標(biāo)志，激光器分為四類（Class1～Class4），一類激光器對人是安全的，二類激光器對人有較輕的傷害，三類以上的激光器對人有嚴(yán)重傷害，使用時需特別注意，避免對人眼直射。
警示標(biāo)志
Class 2?D”警告”

測量在工業(yè)中是不可缺少的，如長度的測量，位移的測量，速度的測量等等。不同的應(yīng)用，要求的測量精度不同，因而需要用不同的手段去實現(xiàn)。以長度或位移的測量為例，當(dāng)測量精度要求為毫米量級時，用普通米尺就足夠了，而卡尺的測量精度則可達(dá)到百分之一毫米，最大量程為幾十厘米。對較大尺度進行更精密的測量，特別是，對快速運動物體的位置或位移進行實時測量，傳統(tǒng)方法就有些力不從心了。而激光則為精密測量提供了最強有力的工具。
    日本計量研究所與東京精密儀器公司組成的聯(lián)合研究組，推出一種測定三維運動物體位置的方法，系統(tǒng)包括4臺干涉儀，所用光源為波長632.8納米的氦-氖激光器，被測物體上裝有光的反射體。在該研究組進行的一次實驗中，高2米的機器人手臂以50厘米每秒的速度運動，系統(tǒng)對其臂端反射體的位置進行了測量，測量精度達(dá)到1微米。
    迄今大多數(shù)精確測量位移的干涉儀都以穩(wěn)定的激光源為基礎(chǔ)，以確保其具有足夠的相干長度，而整套系統(tǒng)的價格也相當(dāng)昂貴。據(jù)報導(dǎo)，耶路撒冷的一家以色列公司最近發(fā)明一項專利，以未采取特殊穩(wěn)定措施的氦-氖激光器的固有穩(wěn)定性為基礎(chǔ)，研制出一種廉價而精密的位移測量系統(tǒng)。據(jù)稱，其性能與相對昂貴和復(fù)雜的穩(wěn)定激光干涉儀位移計相似，在1米的距離上測量精度達(dá)到0.3微米。
    激光干涉儀最令人感興趣的應(yīng)用之一也許是對引力波的測定。愛因斯坦曾推測，諸如星體爆炸，黑洞撞擊和宇宙“最初”的大碰撞之類的強烈天文事件可能形成引力波。但由于這種波如果存在的話也非常弱，因此，幾十年來從未能探測到，也無法確定其是否存在。
    隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光干涉精密測量的靈敏度空前提高，人們重新對此發(fā)生了濃厚興趣。據(jù)最近報導(dǎo)，德國和英國正在德國漢諾威附近建立一個稱為GEO600的系統(tǒng)，試圖對引力波進行探測。參與該系統(tǒng)研究工作的有來自德國和美國的許多研究小組，如德國的漢諾威大學(xué)、加欣的馬普量子光學(xué)研究所和波茨坦的愛因斯坦研究所，以及英國的格拉斯哥大學(xué)和威爾士大學(xué)研究小組等。總計1050萬美元的投資由德國馬普學(xué)會和大眾汽車基金會以及英國的粒子物理學(xué)和天文學(xué)研究委員會提供。
    據(jù)透露，GEO600預(yù)期在所測長度上能探測到的變化可小至單個原子核直徑的幾分之一。這個靈敏度相當(dāng)于地球到銀河系中心的距離上20厘米的變化；或者說，在繞地球10圈的距離上，只要有一個原子直徑長度的變化就可以探測到！這是多么令人不可思議的名副其實的“天文數(shù)字”！
    據(jù)悉，在此之前世界上已有一些類似的裝置，如美國漢福德和里維斯頓的兩個系統(tǒng)，意大利比薩系統(tǒng)及日本的一個系統(tǒng)。GEO600是這些系統(tǒng)的補充，如果在至少4處探測成功，則引力波源的位置也可確定。
    引力波的首次測量將是物理學(xué)的重大事件，而它在現(xiàn)實中的意義是使天文學(xué)家們可以洞察宇宙中發(fā)生的過程。有趣的是，激光產(chǎn)生的基礎(chǔ)是80年前愛因斯坦的天才預(yù)言——受激輻射躍遷。而今天，人們又在借助激光試圖驗證這位天才學(xué)者的另一預(yù)言（我們暫且不稱這一預(yù)言也是天才的，但它一旦被證實，定然無愧于這一稱號）。

我國激光干涉測速技術(shù)取得重大突破http://www.sina.com.cn 2007年04月25日 19:06  光明網(wǎng)-光明日報
　　本報北京4月24日電(通訊員周永 記者練玉春)經(jīng)過30余年的應(yīng)用與發(fā)展,我國激光干涉測速裝置(簡稱VISAR)的研制最近取得了重大突破——由中國工程物理研究院流體物理研究所(中物院一所)自行研制的激光干涉測速系統(tǒng),其性能指標(biāo)達(dá)到了國際先進水平,為我國武器研制、新材料科學(xué)、天體物理和地球
　　物理等領(lǐng)域的實驗研究工作提供了先進的測試手段。
　　激光干涉測速技術(shù)是基于光學(xué)多普勒效應(yīng)發(fā)展起來的一門測試技術(shù),它以激光為檢測光源,通過照射高速運動物體的表面,依靠反射激光頻率的不同來計算物體運動速度的變化。這一技術(shù)既可用于測量高速運動物體在極短時間內(nèi)的速度變化,也可測量沖擊波作用下各種材料的自由面速度和內(nèi)部粒子速度,對研究高溫高壓等極端條件下材料的物理和力學(xué)響應(yīng)特性具有重要價值。該技術(shù)自上世紀(jì)70年代提出以來,主要用于各種武器戰(zhàn)斗部的爆轟實驗與毀傷效應(yīng)測試,具有很強的軍事應(yīng)用背景。
　　中物院一所自上世紀(jì)70年代開始,就密切關(guān)注國際激光干涉測速技術(shù)的發(fā)展動向,并努力開發(fā)適用于各種爆轟實驗的激光干涉測速裝置。1985年,該所研制出了我國第一臺三探頭激光干涉測速儀樣機JSG-1,并對鐵、銅、鎢、鋁等多種靶目標(biāo)在爆轟作用下的自由面速度進行了測量;1989年,他們又研制出了四探頭的JSG-2型激光干涉測速儀,其性能與美國同期測速儀相當(dāng);1994年,為了滿足爆轟實驗的需要,該所李澤仁等人提出了世界首創(chuàng)的共腔式多點激光干涉測速設(shè)想,并實現(xiàn)了多點連續(xù)測量,將一維物理問題擴展到二維和三維來進行研究;1996年,他們開始研制多點激光干涉測速樣機,迄今為止已研制出了多種型號的多點VISAR,在大量爆轟實驗中得到應(yīng)用,并為國內(nèi)多家單位提供了系統(tǒng)與技術(shù)支持;1997年以后,為解決VISAR在速度快速變化時容易丟失干涉條紋和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題,使激光干涉測速技術(shù)在特殊環(huán)境下更加簡便易用,中物院一所沖擊波物理與爆轟物理國防科技重點實驗室開始研究全光纖激光干涉測速技術(shù)。譚華領(lǐng)導(dǎo)的研究小組分別對單模全光纖速度干涉測量技術(shù)、寬 光譜多模全光纖速度干涉測量技術(shù)、單模與多模相結(jié)合的全光纖速度和位移干涉測量技術(shù)進行了探索。經(jīng)過近十年的努力,他們采用多模與單模相結(jié)合的方法,成功研制出了一種新型全光纖激光位移干涉測速裝置,克服了傳統(tǒng)VISAR的缺陷,能夠方便、可靠地用于強載荷下高速運動物體瞬態(tài)速度的測量,是我國激光干涉測速領(lǐng)域取得的重大突破。該成果于2006年發(fā)表于國際著名刊物《應(yīng)用物理通信》。