激光與空間技術(shù)論文

1、激光與空間技術(shù)論文 激光與空間技術(shù)胡海棠國家科委信息司原常務(wù)副司長(zhǎng)研究員一、激光技術(shù)（一）什么是激光與激光技術(shù)激光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發(fā)出的具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。物理學(xué)家把產(chǎn)生激光的機(jī)理溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時(shí)提出的假說，即光的吸收和發(fā)射可經(jīng)由受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射三種基本過程。眾所周知，任何一種光源的發(fā)光都與其物質(zhì)內(nèi)部粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)處于低能級(jí)上的粒子（原子、分子或離子）吸收了適當(dāng)頻率外來能量（光）被激發(fā)而躍遷到相應(yīng)的高能級(jí)上（受激吸收）后，總是力圖躍遷到較低的能級(jí)去，同時(shí)將多余的能量以光子形式釋放出來。如果光是在沒

2、有外來光子作用下自發(fā)地釋放出來的（自發(fā)輻射），此時(shí)被釋放的光即為普通的光（如電燈、霓虹燈等），其特點(diǎn)是光的頻率大小、方向和步調(diào)都很不一致。但如果是在外來光子直接作用下由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)將多余的能量以光子形式釋放出來（受激輻射），被釋放的光子則與外來的入射光子在頻率、位相、傳播方向等方面完全一致，這就意味著外來光得到了加強(qiáng)，我們稱之為光放大。顯然，如果通過受激吸收，使處于高能級(jí)的粒子數(shù)比處于低能級(jí)的越多（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)），這種光的放大現(xiàn)象就越明顯，這時(shí)就有可能形成激光了。激光之所以被譽(yù)為神奇的光，是因?yàn)樗衅胀ü馑耆痪邆涞乃拇筇匦浴?.方向性好普通光源（太陽、白熾燈或熒光燈）向四面八方發(fā)光，

3、而激光的發(fā)光方向可以限制在小于幾個(gè)毫弧度立體角內(nèi)（圖8-9），這就使得在照射方向上的照度提高千萬倍。激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測(cè)距就是利用方向性好這一特性。2.亮度高激光是當(dāng)代最亮的光源，只有氫彈爆炸瞬間強(qiáng)烈的閃光才能與它相比擬。太陽光亮度大約是103瓦（厘米2.球面度），而一臺(tái)大功率激光器的輸出光亮度經(jīng)太陽光高出714個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣，盡管激光的總能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小點(diǎn)處產(chǎn)生高壓和幾萬攝氏度甚至幾百萬攝氏度高溫。激光打孔、切割、焊接和激光外科手術(shù)就是利用了這一特性。3.單色性好光是一種電磁波。光的顏色取決于它的波長(zhǎng)。普通光源發(fā)出的光通常包含著各種波長(zhǎng)，是各種顏色光的混合

4、。太陽光包含紅、登、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的可見光及紅外光、紫外光等不可見光。而某種激光的波長(zhǎng)，只集中在十分窄的光譜波段或頻率范圍內(nèi)。如氦氖激光的波長(zhǎng)為632.8納米，其波長(zhǎng)變化范圍不到萬分之一納米。由于激光的單色性好，為精密度儀器測(cè)量和激勵(lì)某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了極為有利的手段。4.相干性好干涉是波動(dòng)現(xiàn)象的一種屬性。基于激光具有高方向性和高單色性的特性，它必然相干性極好。激光的這一特性使全息照相成為現(xiàn)實(shí)。所謂激光技術(shù)，就是探索開發(fā)各種產(chǎn)生激光的方法以及探索應(yīng)用激光的這些特性為人類造福的技術(shù)的總稱。自1960年美國研制成功世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，我國也于1961年研制成功國產(chǎn)首臺(tái)紅寶

5、石激光器以來，激光技術(shù)被認(rèn)為是20世紀(jì)繼量子物理學(xué)、無線電技術(shù)、原子能技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)之后的又一重大科學(xué)技術(shù)新成就。30多年來，激光技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，不僅研制了各個(gè)特色的多種多樣的激光器，而且激光應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，并形成了激光唱盤唱機(jī)、激光醫(yī)療、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新興產(chǎn)業(yè)。激光技術(shù)的飛速發(fā)展，使其成為當(dāng)今新技術(shù)革命的“帶頭技術(shù)”之一。（二）各式各樣的激光器在光源中，實(shí)現(xiàn)能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)光放大的前提，也就是產(chǎn)生激光的先決條件。要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需借助外來光的力量，使大量原來處于低能級(jí)的粒子躍遷到高能級(jí)上去，這個(gè)過程我們稱之

6、為“激勵(lì)”。我們通常所說的激光器，就是使光源中的粒子受到激勵(lì)而產(chǎn)生受激輻射躍遷，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，然后通過受激輻射而產(chǎn)生光的放大的裝置。激光器雖然多種多樣，但使命都是通過激勵(lì)和受激輻射而獲得激光。因此基本組成通常均由激活介質(zhì)（即被激勵(lì)后能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)）、激勵(lì)裝置（即能使激活介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能源，泵浦源）和光諧振腔（即能使光束在其中反復(fù)振蕩和被多次放大的兩塊平面反射鏡）等三個(gè)部分組成（圖8-2）。經(jīng)過30余年的發(fā)展，各國開發(fā)出實(shí)用的激光器已超過200種。種類繁多，特點(diǎn)各異，用途也各不相同。激光器有各種不同的分類方法：按工作物質(zhì)來分有氣體、玻璃、晶體、液體、半導(dǎo)體、準(zhǔn)分子等激光器，還

7、有化學(xué)激光器（靠化學(xué)反應(yīng)而形成受激狀態(tài)）和自由電子激光器等；按波長(zhǎng)來分，覆蓋的波長(zhǎng)范圍包括遠(yuǎn)紅外、紅外、可見光、紫外直到遠(yuǎn)紫外，最近還研制出x射線激光器和正在開發(fā)的射線光器；按激勵(lì)方式不同，有光激勵(lì)（光源或紫外光激勵(lì)）、氣體放電激勵(lì)、化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)、核反應(yīng)激勵(lì)等；按輸出方式不同，有連續(xù)的、單脈沖的、連續(xù)脈沖的和超短脈沖的，等等；從功率輸出的大小來看，其中連續(xù)的輸出功率小至微瓦級(jí)，最大可達(dá)兆瓦級(jí)；脈沖輸出的能量可從微焦耳至10萬以上焦耳，脈沖寬度由毫秒級(jí)到皮秒級(jí)乃至飛秒級(jí)（1000萬億分之一）。上述各式各樣激光器的出現(xiàn)，主要是為了滿足不同的應(yīng)用目的。如激光加工和某些軍用激光都要求高功率激光或高能量

8、激光（即所謂強(qiáng)激光）。有的希望脈沖的時(shí)間盡量縮短，以從事某些特快過程的研究。有的還對(duì)提高光的單色性、改善輸出光的模式、改善光斑的光強(qiáng)分布以及要求波長(zhǎng)可調(diào)等提出了很高的要求，從而使激光器的探索深度和應(yīng)用廣度得到前所未有的發(fā)展。激光器的應(yīng)用已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，正在奇跡般地改變著我們的世界。（三）蓬勃發(fā)展的激光應(yīng)用激光不僅是20世紀(jì)內(nèi)人類最重大的發(fā)明之一，而且激光技術(shù)的應(yīng)用已廣泛深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)乃至社會(huì)的各個(gè)方面，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步正在起著越來越重要的作用。1、激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器和光纖放大器是光纖通信的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光不僅單色性和相干性好，而且光波頻率比微波

9、頻率又高萬倍，故以激光為傳遞信息的載體，用光纖做信息傳遞線路的光纖通信，不僅通信質(zhì)量好、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上萬倍。一根比頭發(fā)絲還細(xì)的光纖，就可以同時(shí)傳輸上萬路電話或成千路電視節(jié)目，從而使通信真正成為通向千家萬戶的網(wǎng)絡(luò)新時(shí)代。利用激光技術(shù)進(jìn)行光存儲(chǔ)，使信息的存儲(chǔ)發(fā)生了革命性的飛躍。一張cd聲頻光盤的記錄密度相當(dāng)于1000萬比特厘米2，可記錄78分鐘的音樂節(jié)目，比密紋唱片要大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。一張計(jì)算機(jī)用的盤徑為5英寸的cd-rom，容量可達(dá)650兆比特。一張ld（激光錄像盤），或者近幾年最熱門的vcd（激光視盤，谷稱小影碟），以及繼vcd之后的新一代視盤dvd（數(shù)字

10、視盤），其視像蘊(yùn)含的信號(hào)量比cd又要高千倍，可記錄100分鐘的清晰度很高的影視節(jié)目。cd、vcd和ld不僅已在放像設(shè)備市場(chǎng)占有相當(dāng)大的份額，而且還可以在配有激光驅(qū)動(dòng)器的計(jì)算機(jī)上播放。此外，激光打印機(jī)、激光傳真機(jī)、激光照排、激光大屏幕彩色電視、光纖有線電視以及大氣激光通訊等均已得到廣泛應(yīng)用。2、激光在全息術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用光作為一種波動(dòng)現(xiàn)象，表征它的物理量有波長(zhǎng)（同顏色有關(guān)）、振幅（同光的強(qiáng)弱有關(guān)）和位相（表示波動(dòng)起點(diǎn)同基準(zhǔn)時(shí)間的關(guān)系）。人們利用感光的照相方法，只能記錄下波長(zhǎng)和振幅，所以無論照得多么逼真，看照片和看真的景物總是不一樣。而激光具有高相干性，能獲取干涉波空間包括相位在內(nèi)的全部信息。因此，采

11、用激光進(jìn)行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通過光的衍射，就能復(fù)現(xiàn)被攝取物體栩栩如生的立體形象。時(shí)至今日，在全息照相的基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步發(fā)展了全息干涉術(shù)、彩色全息及彩虹全息和周視全息等新的全息技術(shù)。全息照相具有三維成像的特點(diǎn)，可重復(fù)記錄，而且每一小塊全息底片都能再現(xiàn)物體的完整立體形象，其用途十分廣泛。可廣泛用于精密干涉計(jì)量、無損探傷、全息光彈性、微應(yīng)變分析和振動(dòng)分析等科學(xué)研究。利用全息干涉術(shù)研究燃?xì)馊紵^程、機(jī)械件的振動(dòng)模式、蜂窩板結(jié)構(gòu)的粘結(jié)質(zhì)量和汽車輪胎皮下缺陷檢查等已得到廣泛應(yīng)用。全息照相用作商品和信用卡的防偽標(biāo)記已形成產(chǎn)業(yè)，用全息照相拍攝珍貴藝術(shù)品，不僅欣賞起來令人如臨其境，而

12、且為藝術(shù)品的修復(fù)提供了可靠而逼真的依據(jù)。正在發(fā)展的全息電視還將為人們?cè)鎏硪环N新的生活享受。二、空間技術(shù)（一）什么是空間技術(shù)空間技術(shù)，顧名思義就是探索、開發(fā)和利用宇宙空間的技術(shù)?，F(xiàn)階段，空間技術(shù)又稱航天技術(shù)。但對(duì)“天”目前專家們有兩種理解：一是把地球大氣層以外的無限遙遠(yuǎn)空間稱之為“天”；另一是把地球大氣層外、太陽系以內(nèi)的有限空間叫做“天”。若按前一種理解，空間技術(shù)和航天技術(shù)完全是一回事；若按后一種理解，人們把地球大氣層以外、太陽系以內(nèi)的空間活動(dòng)稱之為航天，超出太陽系以外的空間活動(dòng)稱之為航宇。這樣，空間技術(shù)則應(yīng)涵蓋航天技術(shù)和航宇技術(shù)。但由于在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，人類主要還是在太陽系內(nèi)從事活動(dòng)，因此，當(dāng)

13、今把航天技術(shù)和空間技術(shù)視為同義詞已得到公認(rèn)。我國的航天專家將空間技術(shù)的主要特點(diǎn)概括為兩個(gè)方面：首先空間技術(shù)是一門高度綜合性的科學(xué)技術(shù)，是很多現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)成就的綜合集成。它主要依賴于電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等眾多先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。因此，一個(gè)國家空間技術(shù)的成就，最能體現(xiàn)其科學(xué)技術(shù)的水平，是衡量其科技實(shí)力的重要標(biāo)志。其次，空間技術(shù)是一門快速的、大范圍的、在宏觀尺度上最能發(fā)揮作用的科學(xué)技術(shù)。比如，通信衛(wèi)星可以大面積覆蓋地面以至全球；氣象衛(wèi)星可以進(jìn)行全球天氣預(yù)報(bào)；偵察衛(wèi)星可以及時(shí)監(jiān)視廣大地區(qū)的軍事活動(dòng)等等。空間技術(shù)區(qū)別于一般常規(guī)技術(shù)的這兩大特點(diǎn)，使其對(duì)一個(gè)國愛的實(shí)力和進(jìn)步起到意想不到的戰(zhàn)略性作用：在經(jīng)濟(jì)上能產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，普遍認(rèn)為，開發(fā)利用外層空間資源，其投資效益能達(dá)到110以上；在軍事上最能顯示一個(gè)國家的軍事實(shí)力，一個(gè)國家只要占有空間優(yōu)勢(shì)，就掌握了軍事戰(zhàn)略上的主動(dòng)權(quán)；在政治上對(duì)提高一個(gè)國家在國際活動(dòng)中的地位影響深遠(yuǎn)。一項(xiàng)重大空間成就，往