簡(jiǎn)述激光技術(shù)的發(fā)展史與應(yīng)用前沿

北京工業(yè)大學(xué)本科生課程作業(yè)（論文）本科生課程作業(yè)（論文）簡(jiǎn)述激光技術(shù)發(fā)展史與應(yīng)用技術(shù)前沿姓名：李兵學(xué)院:應(yīng)用數(shù)理學(xué)院學(xué)號(hào)：130612172015年9月13日簡(jiǎn)述激光技術(shù)發(fā)展史與應(yīng)用技術(shù)的普及摘要20世紀(jì)以來物理學(xué)的基礎(chǔ)研究不斷推進(jìn)科技的發(fā)展。直至21世紀(jì)，我們無時(shí)無刻不享用著新技術(shù)給我們生活帶來的便利。而在各個(gè)領(lǐng)域均大規(guī)模投入使用的激光技術(shù)已經(jīng)說明現(xiàn)代電子技術(shù)的先進(jìn)性。本文將結(jié)合課上所學(xué)內(nèi)容，著重介紹激光技術(shù)概念的提出及激光器問世過程；從國(guó)內(nèi)與國(guó)外的角度對(duì)比主流技術(shù)區(qū)別，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹激光技術(shù)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光的產(chǎn)生；Laser；梅曼；國(guó)內(nèi)；應(yīng)用普及目錄第1章引言第2章激光概念的提出與激光器的問世2.1自發(fā)輻射2.2Laser概念的問世2.2.1受激輻射2.3以梅曼的紅寶石激光器為開端第3章國(guó)內(nèi)激光技術(shù)的發(fā)展3.1第一次聽到“激光”3.2早期激光技術(shù)的發(fā)展第4章激光技術(shù)的應(yīng)用4.1激光器的構(gòu)成4.2激光器的特點(diǎn)4.3國(guó)內(nèi)外前沿4.3.1國(guó)外：世界上最大的激光器4.3.2國(guó)內(nèi)：矢量漩渦光束激光器研究取得突破參考文獻(xiàn)在全世界頂尖的實(shí)驗(yàn)室都爭(zhēng)取第一個(gè)發(fā)明激光器的情況下，梅曼從ArthurL.Schawlow和CharlesH.Townes兩位學(xué)者的研究中得到啟發(fā)，在1960年5月15日，成功制成了世界上第一臺(tái)可操作的波長(zhǎng)為0.6943微米的紅寶石激光器。他將直徑1cm、長(zhǎng)2cm的紅寶石兩端先鍍上銀膜，在其一端開個(gè)小孔讓激光輸出，將紅寶石晶體放在螺旋氙閃光燈中，然后將他們放進(jìn)高反射的圓筒內(nèi)，創(chuàng)造出了相干脈沖激光光束，這一成果后來震驚了全世界。這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家。從此，世界激光研究大戲正式拉開序幕。第3章國(guó)內(nèi)激光技術(shù)的發(fā)展3.1第一次聽到“激光”“\o"激光"激光”一詞是“LASER”的意譯。LASER原是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadition取字頭組合而成的專門名詞，在我國(guó)曾被翻譯成“萊塞”、“光激射器”、“光受激輻射放大器”等。1964年，錢學(xué)森院士提議取名為“激光”，既反映了“受激輻射”的科學(xué)內(nèi)涵，又表明它是一種很強(qiáng)烈的新光源，貼切、傳神而又簡(jiǎn)潔，得到我國(guó)科學(xué)界的一致認(rèn)同并沿用至今。3.2早期激光技術(shù)的發(fā)展1957年，王大珩等在長(zhǎng)春建立了我國(guó)第一所光學(xué)專業(yè)研究所——中國(guó)科學(xué)院（長(zhǎng)春）光學(xué)精密儀器機(jī)械研究所（簡(jiǎn)稱“光機(jī)所”）。在老一輩專家?guī)ьI(lǐng)下，一批青年科技工作者迅速成長(zhǎng)，鄧錫銘是其中的突出代表。早在1958年美國(guó)物理學(xué)家肖洛、湯斯關(guān)于激光原理的著名論文發(fā)表不久，他便積極倡導(dǎo)開展這項(xiàng)新技術(shù)研究，在短時(shí)間內(nèi)凝聚了富有創(chuàng)新精神的中青年研究隊(duì)伍，提出了大量提高光源亮度、單位色性、相干性的設(shè)想和實(shí)驗(yàn)方案。1960年世界第一臺(tái)激光器問世。1961年夏，在王之江主持下，我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器研制成功。此后短短幾年內(nèi)，激光技術(shù)迅速發(fā)展，產(chǎn)生了一批先進(jìn)成果。各種類型的固體、氣體、半導(dǎo)體和化學(xué)激光器相繼研制成功。同時(shí)，作為具有高亮度、高方向性、高質(zhì)量等優(yōu)異特性的新光源，激光很快應(yīng)用于各技術(shù)領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力和競(jìng)爭(zhēng)力。通信方面，1964年9月用\o"激光演示"激光演示傳送電視圖像，1964年11月實(shí)現(xiàn)3～30公里的通話。工業(yè)方面，1965年5月激光打孔機(jī)成功地用于拉絲模打孔生產(chǎn)，獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益。醫(yī)學(xué)方面，1965年6月激光視網(wǎng)膜焊接器進(jìn)行了動(dòng)物和臨床實(shí)驗(yàn)。國(guó)防方面，1965年12月研制成功激光漫反射測(cè)距機(jī)（精度為10米/10公里），1966年4月研制出遙控脈沖激光多普勒測(cè)速儀。我國(guó)各類激光器的“第一臺(tái)”名稱研制成功時(shí)間研制人He-Ne激光器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1963年12月王守武等脈沖Ar+激光器1964年10月萬重怡等CO2分子激光器1965年9月王潤(rùn)文等CH3I化學(xué)激光器1966年3月鄧錫銘等YAG激光器1966年7月屈乾華等可以說，在起步階段我國(guó)的激光技術(shù)發(fā)展迅速，無論是數(shù)量還是質(zhì)量，都和當(dāng)時(shí)國(guó)際水平接近，一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)能夠如此迅速趕上世界先進(jìn)行列，在我國(guó)近代科技發(fā)展史上并不多見。這些成績(jī)的取得，尤其是能夠把物理設(shè)想、技術(shù)方案順利地轉(zhuǎn)化成實(shí)際激光器件，主要得力于光機(jī)所多年來在技術(shù)光學(xué)、精密機(jī)械和電子技術(shù)方面積累的綜合能力和堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。第4章激光技術(shù)的應(yīng)用4.1激光器的構(gòu)成激光器主要由三部分組成，一是激光工作介質(zhì)，固體氣體液體都可以作為工作介質(zhì)，不過并不是所有物質(zhì)都可以用作激光輻射，一個(gè)要求就是介質(zhì)必須有亞穩(wěn)態(tài)的能級(jí)結(jié)構(gòu)；二是激勵(lì)源，也是激光器的能量來源，用以實(shí)現(xiàn)工作介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可以有電光熱和化學(xué)等多種激勵(lì)方式；三是諧振腔，通過光學(xué)諧振腔進(jìn)行光放大和選擇，從而產(chǎn)生高能激光。4.2激光器的特點(diǎn)激光的特點(diǎn)主要有四點(diǎn)，一是方向性好，激光束偏離軸線的發(fā)散角往往非常小，甚至可以用來測(cè)量地球到月球的精確距離（發(fā)射到38萬公里外的月球形成的光斑直徑不超過一公里）；二是亮度高，激光功率在空間高度集中，亮度是普通太陽光的百萬倍；三是單色性好，比如氪激光的波長(zhǎng)范圍只有4.7微埃，比原來個(gè)公認(rèn)單色性最好的氪燈高出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)；四是相干性好，激光器輸出的光子頻率、偏振、相位和傳播方向都完全一致，這使得很多光學(xué)實(shí)驗(yàn)的精度大大提高。4.3國(guó)內(nèi)外前沿國(guó)外經(jīng)歷60年左右的發(fā)展，激光技術(shù)已經(jīng)在歐洲及美國(guó)的帶領(lǐng)下完成了幾次重要技術(shù)的革新，而且全方面提升了激光器性能并將技術(shù)投入到各方面生產(chǎn)活動(dòng)中。而中國(guó)在起步階段與國(guó)外并駕齊驅(qū)，但由于社會(huì)原因，中斷了激光器及激光技術(shù)的研究，導(dǎo)致與國(guó)外形成了領(lǐng)域差距。下面簡(jiǎn)要介紹一下國(guó)內(nèi)外激光技術(shù)最新研究成果和課題方向。4.3.1國(guó)外：世界上最大的激光器歐洲正與美國(guó)等科學(xué)家正研制的世界上最強(qiáng)大的激光器，有助于研究人員洞悉宇宙是如何形成的。它叫做“高重頻先進(jìn)千兆兆瓦激光系統(tǒng)(HAPLS)”，將在歐洲捷克共和國(guó)部署安裝，它能夠在30飛秒（飛秒為1015秒）內(nèi)產(chǎn)生30焦耳的能量，產(chǎn)生的功率峰值超過1拍瓦（1015瓦），目前HAPLS激光系統(tǒng)的第一個(gè)關(guān)鍵部件“二級(jí)管泵固體激光器”由美國(guó)能源部勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室（LLNL）負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、建造，已經(jīng)完成組裝并被部署安裝至捷克共和國(guó)的歐洲極端光基礎(chǔ)設(shè)施（ELI）中，標(biāo)志著這個(gè)巨大項(xiàng)目的第一階段施工告一段落。HAPLS能夠在百萬億分之一秒內(nèi)釋放超強(qiáng)激光束，釋放出的光比地球上所有發(fā)電站發(fā)出的光還要強(qiáng)大10萬倍。因類似科幻電影《星球大戰(zhàn)》中黑武士達(dá)斯·維達(dá)(DarthVader)的\o"激光焊接"激光焊接基地而被昵稱為“死星激光器”?！岸?jí)管泵固體激光器”功率放大器將使用摻釹玻璃放大器板（這與美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置相同），在10赫茲重頻的情況下產(chǎn)生3.2兆瓦的鐳射功率，其作用是為第二個(gè)組成系統(tǒng)即“啁啾脈沖放大器短脈沖激光器”提供能量。在“二級(jí)管泵固體激光器”的輸出端，利用頻率轉(zhuǎn)換器使頻率加倍，從紅外轉(zhuǎn)變成綠光頻率，以匹配短脈沖激光器的吸收譜帶要求。HAPLS的短脈沖激光系統(tǒng)將使用摻鈦藍(lán)寶石作為放大介質(zhì)，可從“二級(jí)管泵浦固體激光器”的能量轉(zhuǎn)換成脈寬為30飛秒、能量為30焦耳、峰值功率超過1拍瓦的激光脈沖。HAPLS將安裝在位于歐洲捷克共和國(guó)的歐洲極端光基礎(chǔ)設(shè)施（ELI）中，該設(shè)施目前仍在建設(shè)當(dāng)中。HAPLS兩個(gè)激光系統(tǒng)由美國(guó)能源部勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、建造和組裝。HAPLS系統(tǒng)計(jì)劃在2016年從美國(guó)運(yùn)往歐洲，并將在2017年進(jìn)行首次試驗(yàn)。HAPLS能夠產(chǎn)生超短、高能激光脈沖，這種脈沖可以作為二次源產(chǎn)生電磁輻射（如高亮度X射線）或加速帶點(diǎn)粒子（電子、質(zhì)子或離子）。這種激光技術(shù)在物理、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域都有應(yīng)用。4.3.2國(guó)內(nèi)：矢量漩渦光束激光器研究取得突破中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光電實(shí)驗(yàn)室研究員李建郎課題組在新型固體激光器研究中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了具有矢量偏振和螺旋相位的激光光束輸出。矢量、渦旋光束是在光束橫截面內(nèi)同時(shí)具有非均勻偏振態(tài)和螺旋位相結(jié)構(gòu)的新型激光光束。與其他激光光束相比，矢量光束可被高數(shù)值透鏡聚焦更小的尺寸，并且在焦點(diǎn)處可形成極強(qiáng)的縱向電場(chǎng)或者縱向磁場(chǎng)，因此在粒子捕獲、生物光鑷、高分辨率顯微鏡技術(shù)、帶電粒子加速以及高精度材料加工等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用。而渦旋光束則由于具有螺旋位相，該光束中的光子帶有軌道角動(dòng)量，并可將軌道角動(dòng)量傳遞給處于光場(chǎng)中的微粒（分子、原子、電子和等離子體等）上從而導(dǎo)致其沿圓周軌道運(yùn)動(dòng)。通過各種方式分別產(chǎn)生矢量光束和螺旋相位光束一直是激光光學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，但利用激光器直接輸出同時(shí)具有矢量偏振和螺旋相位的激光束尚未見報(bào)道。李建郎課題組在研究中，首先利用粗芯徑、大數(shù)值孔徑的多模光纖，通過離焦耦合將激光二極管輸出的808納米多橫模激光光束轉(zhuǎn)換為空心光束，然后利用該空心光束從端面泵浦一個(gè)微片激光器。該激光器僅由一塊摻雜釹離子的釔鋁石榴石（Nd：YAG）\o"激光晶體"激光晶體和一個(gè)平面輸