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 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)生激光的機理溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時提出的假說，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)部粒子的運動狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)處于低能級上的粒子（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)的高能級上（受激吸收）后，總是力圖躍遷到較低的

2、能級去，同時將多余的能量以光子形式釋放出來。如果光是在沒有外來光子作用下自發(fā)地釋放出來的（自發(fā)輻射），此時被釋放的光即為普通的光（如電燈、霓虹燈等），其特點是光的頻率大小、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向低能級躍遷時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，我們稱之為光放大。顯然，如果通過受激吸收，使處于高能級的粒子數(shù)比處于低能級的越多（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)），這種光的放大現(xiàn)象就越明顯，這時就有可能形成激光了。 激光之所以被譽為神奇的光，是因為它有普通光所完全不具備的四大特性。

3、1.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，而激光的發(fā)光方向可以限制在小于幾個毫弧度立體角內(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），而一臺大功率激光器的輸出光亮度經(jīng)太陽光高出714個數(shù)量級。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

4、取決于它的波長。普通光源發(fā)出的光通常包含著各種波長，是各種顏色光的混合。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，只集中在十分窄的光譜波段或頻率范圍內(nèi)。如氦氖激光的波長為632.8納米，其波長變化范圍不到萬分之一納米。由于激光的單色性好，為精密度儀器測量和激勵某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實驗提供了極為有利的手段。 4.相干性好 干涉是波動現(xiàn)象的一種屬性?；诩す饩哂懈叻较蛐院透邌紊缘奶匦裕厝幌喔尚詷O好。激光的這一特性使全息照相成為現(xiàn)實。 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

5、美國研制成功世界上第一臺紅寶石激光器，我國也于1961年研制成功國產(chǎn)首臺紅寶石激光器以來，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)、電子計算機技術(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、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，實現(xiàn)能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實現(xiàn)光放大的前提，也就是產(chǎn)生激光的先決條件。要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，

6、需借助外來光的力量，使大量原來處于低能級的粒子躍遷到高能級上去，這個過程我們稱之為“激勵”。 我們通常所說的激光器，就是使光源中的粒子受到激勵而產(chǎn)生受激輻射躍遷，實現(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)（即被激勵后能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)）、激勵裝置（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）等三個部分組成（圖8-2）。 經(jīng)過30余年的發(fā)展，各國開發(fā)出實用的激光器已超過200種。種類繁多，特點各異，用途也各不相同。激光器有各

7、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；按波長來分，覆蓋的波長范圍包括遠(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；按激勵方式不同，有光激勵（光源或紫外光激勵）、氣體放電激勵、化學(xué)反應(yīng)激勵、核反應(yīng)激勵等；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，最大可達(dá)兆瓦級；脈沖輸出的能量可從微焦耳至10萬以上焦耳，脈沖寬度由毫秒級到皮秒級乃至飛秒級（1000萬億分之一）。 上述各式各樣激光器

8、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激光（即所謂強激光）。有的希望脈沖的時間盡量縮短，以從事某些特快過程的研究。有的還對提高光的單色性、改善輸出光的模式、改善光斑的光強分布以及要求波長可調(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)乃至社會的各個方面，對人類社會的進(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

9、放大器是光纖通信的兩項關(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、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)新時代。 利用激光技術(shù)進(jìn)行光存儲，使信息的存儲發(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數(shù)量級。一張計算機用的盤徑為5英寸的CD-ROM，容量可達(dá)650兆比特。一張LD（激光錄像

10、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)字視盤），其視像蘊含的信號量比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)備市場占有相當(dāng)大的份額，而且還可以在配有激光驅(qū)動器的計算機上播放。 此外，激光打印機、激光傳真機、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 光作為一種波動現(xiàn)象，表征它的物理量有波長（同顏色有關(guān)）、振幅（同光的強弱有關(guān)）和位相（表示波動起點同基準(zhǔn)時間的關(guān)系）。人們利用感光的照相方法，只能記錄下波長和振幅，所以無論照得多么逼

11、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，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量、無損探傷、全息光彈性、微應(yīng)變分析和振動分析等科學(xué)研究。利用全息干涉術(shù)研究燃?xì)馊紵^程、機械件的振動模式、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)

12、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增添一種新的生活享受。 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“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)的空間活動稱之為航天，超出太陽系以外的空間活動稱之為航

13、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)長的時間內(nèi)，人類主要還是在太陽系內(nèi)從事活動，因此，當(dāng)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)的主要特點概括為兩個方面：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)、自動化技術(shù)、遙感技術(shù)和計算機技術(shù)等眾多先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。因此，一個國家空間技術(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；偵察衛(wèi)星可以

14、及時監(jiān)視廣大地區(qū)的軍事活動等等。 空間技術(shù)區(qū)別于一般常規(guī)技術(shù)的這兩大特點，使其對一個國愛的實力和進(jìn)步起到意想不到的戰(zhàn)略性作用：在經(jīng)濟上能產(chǎn)生很高的經(jīng)濟和社會效益，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國家的軍事實力，一個國家只要占有空間優(yōu)勢，就掌握了軍事戰(zhàn)略上的主動權(quán)；在政治上對提高一個國家在國際活動中的地位影響深遠(yuǎn)。一項重大空間成就，往往成為國際談判的重大籌碼；在科學(xué)技術(shù)上還能帶動電子、自動化、遙感、生物等學(xué)科的發(fā)展，并形成包括衛(wèi)星氣象學(xué)、衛(wèi)星海洋學(xué)、空間生物學(xué)和空間材料工藝學(xué)等一群新的邊緣科學(xué)。 （二）空間技術(shù)的重大成就 空間技術(shù)的開創(chuàng)和發(fā)展是人類開拓宇宙空間的壯麗事業(yè)?？臻g技術(shù)自50