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，它包含了激光產生的由來。它一出現就創造了許多奇跡，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，不易發散，光強也可以保證。一束激光射出20千米遠，光斑只有杯口那么大，就是發射到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膜，當視網膜出了問題需要修補時，視網膜在眼球的后邊，所以手術很難進行。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生利用激光成功地做了視網膜手術，整個手術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出的光能的激光束，就能將1.5米遠處的一塊厚約2厘米的鋼板打出一個孔。
　　經過30多年的發展，激光現在幾乎是無處不在，它已經被用在生活、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、激光手術刀、激光炸彈、激光雷達、激光槍、激光炮……，在不久的將來，激光肯定會有更廣泛的應用。

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射出相當于全球電網數倍的強大能量，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就能實現。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”，成百臺光學設備集成在一個足球場大小的空間內。當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可發射出相當于全球電網電力總和數倍的強大功率，從而釋放出極端壓力和高溫，引發聚變反應。
　　“神光二號”可用作科學實驗，釋放的巨大能量在實驗中產生的極端物理條件，對基礎科學研究、高技術應用和確保國家安全的新技術的推出，均有重大意義。
　　“神光”的未來前景誘人。據專家介紹，核聚變是未來清潔能源的希望所在，估計到本世紀中葉，科學家可利用激光聚變技術，把海水中豐富的同位素氘、氚轉化為巨大的、取之不盡的能源。
    “神光二號”的建成，為我國科學家從海水中獲得能源邁出了可喜的一步?！吧窆舛枴钡膯柺溃瑯酥疚覈吖β始す饪蒲泻图す夂司圩冄芯恳堰M入世界先進行列。目前，如此精密的巨型激光器只有美國、日本等少數國家能建造?！吧窆舛枴钡目傮w技術性能已進入世界前5位。

激光技術用于各類檢測測量
激光技術用于檢測工作主要是利用激光的優異特性，將它作為光源，配以相應的光電元件來實現的。它具有精度高、測量范圍大、檢測時間短、非接觸式等優點，常用于測量長度、位移、速度、振動等參數。當測定對象物受到激光照射時，激光的某些特性會發生變化，通過測定其響應如強度、速度或種類等，就可以知道測定物的形狀、物理、化學特征，以及他們的變化量。響應種類有：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，測量它返回的時間，由此求得激光器與被測目標間的距離d。即：d＝ct/2   
式中t――激光發出與接收到返回信號之間的時間間隔?？梢娺@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，光接收器響應速度快。所以，遠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體激光器作為激光源。
    ◆激光測長
　　從光學原理可知，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。
    ◆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。通常利用基準反射面的參照光和觀測物體反射的觀測光產生的干涉，或者是參照光和通過觀測物體后相位發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，其測量精度達到光的波長量級。因為光的波長非常短，所以測量精度相當高。
    ◆激光雷達
    激光雷達是用于向空中發射激光束，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到 10cm以下。激光照射在物體上后，會發生散射，按照光子能量是否發生變化，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；與激光波長相當的散射，稱之為米氏散射。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別開。相應地，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生散射時，由于散射體的固有振動以及回轉能和能量的交換，致使散射光的頻率發生變化的現象。拉曼散射所表現出的特征，因組成物質的分子結構的不同而不同，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量（拉曼散射）。由此可見，激光雷達技術在解決環境問題方面占據著舉足輕重的位置。

激光測距儀
上世紀九十年代初，歐美等幾大公司相繼生產出可供商用的半導體激光二極管，使激光的實際應用價值發生了革命性的進步。其他種類的激光器由于產生激光的機理過于復雜，使其體積，重量特別大，功耗高等原因，大大限制了激光的應用。而半導體激光器的出現使這些問題迎刃而解。隨著半導體激光器的技術進一步成熟，價格逐步降低，其應用批量和應用領域不斷擴大，就目前的發展速度來看，應用前景十分看好。　　半導體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉換效率高、功耗低、驅動電源簡單、能直接調制、結構簡單、價格低廉、使用安全、其應用領域非常廣泛。如光存儲、激光打印、激光照排、激光測距、條碼掃描、工業探測、測試測量儀器、激光顯示、醫療儀器、軍事、安防、野外探測、建筑類掃平及標線類儀器、實驗室及教學演示、舞臺燈光及激光表演、激光水平尺及各種標線定位等。
　　半導體激光器的一些獨特優點使之非常適合于軍事上的應用，如野外測距、槍炮等的瞄準、射擊模擬系統、致盲、對潛通信制導、引信、安防等。由于可用普通電池驅動，使一些便攜式武器設備配置成為可能。
　　目前已開發出并投放市場的半導體激光器的波段有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，特別是人眼有嚴重傷害，使用時需特別小心。國際上對激光有統一的分類和統一的安全警示標志，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重傷害，使用時需特別注意，避免對人眼直射。
警示標志
Class 2?D”警告”

測量在工業中是不可缺少的，如長度的測量，位移的測量，速度的測量等等。不同的應用，要求的測量精度不同，因而需要用不同的手段去實現。以長度或位移的測量為例，當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合研究組，推出一種測定三維運動物體位置的方法，系統包括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，系統對其臂端反射體的位置進行了測量，測量精度達到1微米。
    迄今大多數精確測量位移的干涉儀都以穩定的激光源為基礎，以確保其具有足夠的相干長度，而整套系統的價格也相當昂貴。據報導，耶路撒冷的一家以色列公司最近發明一項專利，以未采取特殊穩定措施的氦-氖激光器的固有穩定性為基礎，研制出一種廉價而精密的位移測量系統。據稱，其性能與相對昂貴和復雜的穩定激光干涉儀位移計相似，在1米的距離上測量精度達到0.3微米。
    激光干涉儀最令人感興趣的應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。
    隨著激光技術的發展，激光干涉精密測量的靈敏度空前提高，人們重新對此發生了濃厚興趣。據最近報導，德國和英國正在德國漢諾威附近建立一個稱為GEO600的系統，試圖對引力波進行探測。參與該系統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、加欣的馬普量子光學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和威爾士大學研究小組等?？傆?050萬美元的投資由德國馬普學會和大眾汽車基金會以及英國的粒子物理學和天文學研究委員會提供。
    據透露，GEO600預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“天文數字”！
    據悉，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，意大利比薩系統及日本的一個系統。GEO600是這些系統的補充，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的重大事件，而它在現實中的意義是使天文學家們可以洞察宇宙中發生的過程。有趣的是，激光產生的基礎是80年前愛因斯坦的天才預言——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者的另一預言（我們暫且不稱這一預言也是天才的，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取得重大突破http://www.sina.com.cn 2007年04月25日 19:06  光明網-光明日報
　　本報北京4月24日電(通訊員周永 記者練玉春)經過30余年的應用與發展,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,其性能指標達到了國際先進水平,為我國武器研制、新材料科學、天體物理和地球
　　物理等領域的實驗研究工作提供了先進的測試手段。
　　激光干涉測速技術是基于光學多普勒效應發展起來的一門測試技術,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。這一技術既可用于測量高速運動物體在極短時間內的速度變化,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響應特性具有重要價值。該技術自上世紀70年代提出以來,主要用于各種武器戰斗部的爆轟實驗與毀傷效應測試,具有很強的軍事應用背景。
　　中物院一所自上世紀70年代開始,就密切關注國際激光干涉測速技術的發展動向,并努力開發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;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的共腔式多點激光干涉測速設想,并實現了多點連續測量,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用,并為國內多家單位提供了系統與技術支持;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結構復雜等問題,使激光干涉測速技術在特殊環境下更加簡便易用,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。譚華領導的研究小組分別對單模全光纖速度干涉測量技術、寬 光譜多模全光纖速度干涉測量技術、單模與多模相結合的全光纖速度和位移干涉測量技術進行了探索。經過近十年的努力,他們采用多模與單模相結合的方法,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速度的測量,是我國激光干涉測速領域取得的重大突破。該成果于2006年發表于國際著名刊物《應用物理通信》。