簡述激光技術(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：130612172015年9月13日簡述激光技術(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)，我們無時無刻不享用著新技術(shù)給我們生活帶來的便利。而在各個領(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；從國內(nèi)與國外的角度對比主流技術(shù)區(qū)別，同時簡要介紹激光技術(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4.3國內(nèi)外前沿4.3.1國外：世界上最大的激光器4.3.2國內(nèi)：矢量漩渦光束激光器研究取得突破參考文獻(xiàn)在全世界頂尖的實驗室都爭取第一個發(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可操作的波長為0.6943微米的紅寶石激光器。他將直徑1cm、長2cm的紅寶石兩端先鍍上銀膜，在其一端開個小孔讓激光輸出，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將激光引入實用領(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烈的新光源，貼切、傳神而又簡潔，得到我國科學(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，王大珩等在長春建立了我國第一所光學(xué)專業(yè)研究所——中國科學(xué)院（長春）光學(xué)精密儀器機械研究所（簡稱“光機所”）。在老一輩專家?guī)ьI(lǐng)下，一批青年科技工作者迅速成長，鄧錫銘是其中的突出代表。早在1958年美國物理學(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)開展這項新技術(shù)研究，在短時間內(nèi)凝聚了富有創(chuàng)新精神的中青年研究隊伍，提出了大量提高光源亮度、單位色性、相干性的設(shè)想和實驗方案。1960年世界第一臺激光器問世。1961年夏，在王之江主持下，我國第一臺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，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，顯示出強大的生命力和競爭力。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月實現(xiàn)3～30公里的通話。工業(yè)方面，1965年5月激光打孔機成功地用于拉絲模打孔生產(chǎn)，獲得顯著經(jīng)濟效益。醫(yī)學(xué)方面，1965年6月激光視網(wǎng)膜焊接器進(jìn)行了動物和臨床實驗。國防方面，1965年12月研制成功激光漫反射測距機（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速儀。我國各類激光器的“第一臺”名稱研制成功時間研制人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)時國際水平接近，一項創(chuàng)新性技術(shù)能夠如此迅速趕上世界先進(jìn)行列，在我國近代科技發(fā)展史上并不多見。這些成績的取得，尤其是能夠把物理設(shè)想、技術(shù)方案順利地轉(zhuǎn)化成實際激光器件，主要得力于光機所多年來在技術(shù)光學(xué)、精密機械和電子技術(shù)方面積累的綜合能力和堅實基礎(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，一個要求就是介質(zhì)必須有亞穩(wěn)態(tài)的能級結(jié)構(gòu)；二是激勵源，也是激光器的能量來源，用以實現(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激光器的特點激光的特點主要有四點，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，比如氪激光的波長范圍只有4.7微埃，比原來個公認(rèn)單色性最好的氪燈高出數(shù)個數(shù)量級；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)實驗的精度大大提高。4.3國內(nèi)外前沿國外經(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)活動中。而中國在起步階段與國外并駕齊驅(qū)，但由于社會原因，中斷了激光器及激光技術(shù)的研究，導(dǎo)致與國外形成了領(lǐng)域差距。下面簡要介紹一下國內(nèi)外激光技術(shù)最新研究成果和課題方向。4.3.1國外：世界上最大的激光器歐洲正與美國等科學(xué)家正研制的世界上最強大的激光器，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)的第一個關(guān)鍵部件“二級管泵固體激光器”由美國能源部勞倫斯·利弗莫爾實驗室（LLNL）負(fù)責(zé)設(shè)計、建造，已經(jīng)完成組裝并被部署安裝至捷克共和國的歐洲極端光基礎(chǔ)設(shè)施（ELI）中，標(biāo)志著這個巨大項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壒鼙霉腆w激光器”功率放大器將使用摻釹玻璃放大器板（這與美國國家點火裝置相同），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兩個激光系統(tǒng)由美國能源部勞倫斯·利弗莫爾實驗室負(fù)責(zé)設(shè)計、建造和組裝。HAPLS系統(tǒng)計劃在2016年從美國運往歐洲，并將在2017年進(jìn)行首次試驗。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國內(nèi)：矢量漩渦光束激光器研究取得突破中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所信息光電實驗室研究員李建郎課題組在新型固體激光器研究中，同時實現(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，并且在焦點處可形成極強的縱向電場或者縱向磁場，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量，并可將軌道角動量傳遞給處于光場中的微粒（分子、原子、電子和等離子體等）上從而導(dǎo)致其沿圓周軌道運動。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)域的熱點之一，但利用激光器直接輸出同時具有矢量偏振和螺旋相位的激光束尚未見報道。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"激光晶體和一個平面輸