激光...

激光

1960年一种神奇的光诞生了，它就是激光。激光的英文名称是 Laser，它是英语短语“受激发射光放大”中每个实词第一个字母组成的缩略词，它包含了激光产生的由来。它一出现就创造了许多奇迹，真可谓“一鸣惊人”。
　　激光的方向性极好，在传播中始终像一条笔直的线，不易发散，光强也可以保证。一束激光射出20千米远，光斑只有杯口那么大，就是发射到38万千米外的月球上，光圈的直径也不过 2千米，在地球上看去，只是一个明亮的红点。利用激光的这一特性，科学家在1962年测出了地球与月球的精确距离。
　　激光具有穿透透明物质的能力，用它治疗眼睛效果特佳。我们知道，眼睛有个透明的外罩，即角膜，还有个血管交织的视网膜，当视网膜出了问题需要修补时，视网膜在眼球的后边，所以手术很难进行。这时如果请激光来帮忙，一切问题就会迎刃而解。
　　1963年，一位名叫弗林克的医生利用激光成功地做了视网膜手术，整个手术时间才几千分之一秒，病人甚至不需要麻醉，也不会感到痛苦。
　　激光的相干性很好，用透镜能把它聚集成极细的光束，在这束光的作用下，任何材料都会被烧熔、气化。总光能还不及一只15 瓦灯泡点亮一秒钟发出的光能的激光束，就能将1.5米远处的一块厚约2厘米的钢板打出一个孔。
　　经过30多年的发展，激光现在几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研的方方面面：激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮……，在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用。

巨型激光瞬间能量超过全球电力
   在十亿分之一秒的瞬间可发射出相当于全球电网数倍的强大能量，类似物理条件在自然界中只有在核爆炸中心、恒星内部或是黑洞边缘才能找到，而今在上海一个足球场大小的激光器内就能实现。这是日前研制成功的我国“神光二号”巨型激光装置显示的威力。
　　建在中科院上海光机所的“神光二号”，成百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内。当8束强激光通过空间立体排布的放大链聚集到一个小小的燃料靶球时，在十亿分之一秒的超短瞬间内可发射出相当于全球电网电力总和数倍的强大功率，从而释放出极端压力和高温，引发聚变反应。
　　“神光二号”可用作科学实验，释放的巨大能量在实验中产生的极端物理条件，对基础科学研究、高技术应用和确保国家安全的新技术的推出，均有重大意义。
　　“神光”的未来前景诱人。据专家介绍，核聚变是未来清洁能源的希望所在，估计到本世纪中叶，科学家可利用激光聚变技术，把海水中丰富的同位素氘、氚转化为巨大的、取之不尽的能源。
    “神光二号”的建成，为我国科学家从海水中获得能源迈出了可喜的一步。“神光二号”的问世，标志我国高功率激光科研和激光核聚变研究已进入世界先进行列。目前，如此精密的巨型激光器只有美国、日本等少数国家能建造。“神光二号”的总体技术性能已进入世界前5位。

我国激光干涉测速技术取得重大突破http://www.sina.com.cn 2007年04月25日 19:06  光明网-光明日报
　　本报北京4月24日电(通讯员周永 记者练玉春)经过30余年的应用与发展,我国激光干涉测速装置(简称VISAR)的研制最近取得了重大突破——由中国工程物理研究院流体物理研究所(中物院一所)自行研制的激光干涉测速系统,其性能指标达到了国际先进水平,为我国武器研制、新材料科学、天体物理和地球
　　物理等领域的实验研究工作提供了先进的测试手段。
　　激光干涉测速技术是基于光学多普勒效应发展起来的一门测试技术,它以激光为检测光源,通过照射高速运动物体的表面,依靠反射激光频率的不同来计算物体运动速度的变化。这一技术既可用于测量高速运动物体在极短时间内的速度变化,也可测量冲击波作用下各种材料的自由面速度和内部粒子速度,对研究高温高压等极端条件下材料的物理和力学响应特性具有重要价值。该技术自上世纪70年代提出以来,主要用于各种武器战斗部的爆轰实验与毁伤效应测试,具有很强的军事应用背景。
　　中物院一所自上世纪70年代开始,就密切关注国际激光干涉测速技术的发展动向,并努力开发适用于各种爆轰实验的激光干涉测速装置。1985年,该所研制出了我国第一台三探头激光干涉测速仪样机JSG-1,并对铁、铜、钨、铝等多种靶目标在爆轰作用下的自由面速度进行了测量;1989年,他们又研制出了四探头的JSG-2型激光干涉测速仪,其性能与美国同期测速仪相当;1994年,为了满足爆轰实验的需要,该所李泽仁等人提出了世界首创的共腔式多点激光干涉测速设想,并实现了多点连续测量,将一维物理问题扩展到二维和三维来进行研究;1996年,他们开始研制多点激光干涉测速样机,迄今为止已研制出了多种型号的多点VISAR,在大量爆轰实验中得到应用,并为国内多家单位提供了系统与技术支持;1997年以后,为解决VISAR在速度快速变化时容易丢失干涉条纹和系统结构复杂等问题,使激光干涉测速技术在特殊环境下更加简便易用,中物院一所冲击波物理与爆轰物理国防科技重点实验室开始研究全光纤激光干涉测速技术。谭华领导的研究小组分别对单模全光纤速度干涉测量技术、宽 光谱多模全光纤速度干涉测量技术、单模与多模相结合的全光纤速度和位移干涉测量技术进行了探索。经过近十年的努力,他们采用多模与单模相结合的方法,成功研制出了一种新型全光纤激光位移干涉测速装置,克服了传统VISAR的缺陷,能够方便、可靠地用于强载荷下高速运动物体瞬态速度的测量,是我国激光干涉测速领域取得的重大突破。该成果于2006年发表于国际著名刊物《应用物理通信》。

激光测距仪
上世纪九十年代初，欧美等几大公司相继生产出可供商用的半导体激光二极管，使激光的实际应用价值发生了革命性的进步。其他种类的激光器由于产生激光的机理过于复杂，使其体积，重量特别大，功耗高等原因，大大限制了激光的应用。而半导体激光器的出现使这些问题迎刃而解。随着半导体激光器的技术进一步成熟，价格逐步降低，其应用批量和应用领域不断扩大，就目前的发展速度来看，应用前景十分看好。　　半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平及标线类仪器、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演、激光水平尺及各种标线定位等。
　　半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的应用，如野外测距、枪炮等的瞄准、射击模拟系统、致盲、对潜通信制导、引信、安防等。由于可用普通电池驱动，使一些便携式武器设备配置成为可能。
　　目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中1310nm、1550nm主要用于光纤通讯领域。405nm - 670nm为可见光波段，780nm - 1550nm为红外光波段，390nm - 370nm为紫外光波段。
激光安全警示和使用注意事项
　　激光器是强度很高的光源辐射器件，大功率的激光器可以用于切割焊接金属材料，所以激光对人体，特别是人眼有严重伤害，使用时需特别小心。国际上对激光有统一的分类和统一的安全警示标志，激光器分为四类（Class1～Class4），一类激光器对人是安全的，二类激光器对人有较轻的伤害，三类以上的激光器对人有严重伤害，使用时需特别注意，避免对人眼直射。
警示标志
Class 2?D”警告”

测量在工业中是不可缺少的，如长度的测量，位移的测量，速度的测量等等。不同的应用，要求的测量精度不同，因而需要用不同的手段去实现。以长度或位移的测量为例，当测量精度要求为毫米量级时，用普通米尺就足够了，而卡尺的测量精度则可达到百分之一毫米，最大量程为几十厘米。对较大尺度进行更精密的测量，特别是，对快速运动物体的位置或位移进行实时测量，传统方法就有些力不从心了。而激光则为精密测量提供了最强有力的工具。
    日本计量研究所与东京精密仪器公司组成的联合研究组，推出一种测定三维运动物体位置的方法，系统包括4台干涉仪，所用光源为波长632.8纳米的氦-氖激光器，被测物体上装有光的反射体。在该研究组进行的一次实验中，高2米的机器人手臂以50厘米每秒的速度运动，系统对其臂端反射体的位置进行了测量，测量精度达到1微米。
    迄今大多数精确测量位移的干涉仪都以稳定的激光源为基础，以确保其具有足够的相干长度，而整套系统的价格也相当昂贵。据报导，耶路撒冷的一家以色列公司最近发明一项专利，以未采取特殊稳定措施的氦-氖激光器的固有稳定性为基础，研制出一种廉价而精密的位移测量系统。据称，其性能与相对昂贵和复杂的稳定激光干涉仪位移计相似，在1米的距离上测量精度达到0.3微米。
    激光干涉仪最令人感兴趣的应用之一也许是对引力波的测定。爱因斯坦曾推测，诸如星体爆炸，黑洞撞击和宇宙“最初”的大碰撞之类的强烈天文事件可能形成引力波。但由于这种波如果存在的话也非常弱，因此，几十年来从未能探测到，也无法确定其是否存在。
    随着激光技术的发展，激光干涉精密测量的灵敏度空前提高，人们重新对此发生了浓厚兴趣。据最近报导，德国和英国正在德国汉诺威附近建立一个称为GEO600的系统，试图对引力波进行探测。参与该系统研究工作的有来自德国和美国的许多研究小组，如德国的汉诺威大学、加欣的马普量子光学研究所和波茨坦的爱因斯坦研究所，以及英国的格拉斯哥大学和威尔士大学研究小组等。总计1050万美元的投资由德国马普学会和大众汽车基金会以及英国的粒子物理学和天文学研究委员会提供。
    据透露，GEO600预期在所测长度上能探测到的变化可小至单个原子核直径的几分之一。这个灵敏度相当于地球到银河系中心的距离上20厘米的变化；或者说，在绕地球10圈的距离上，只要有一个原子直径长度的变化就可以探测到！这是多么令人不可思议的名副其实的“天文数字”！
    据悉，在此之前世界上已有一些类似的装置，如美国汉福德和里维斯顿的两个系统，意大利比萨系统及日本的一个系统。GEO600是这些系统的补充，如果在至少4处探测成功，则引力波源的位置也可确定。
    引力波的首次测量将是物理学的重大事件，而它在现实中的意义是使天文学家们可以洞察宇宙中发生的过程。有趣的是，激光产生的基础是80年前爱因斯坦的天才预言——受激辐射跃迁。而今天，人们又在借助激光试图验证这位天才学者的另一预言（我们暂且不称这一预言也是天才的，但它一旦被证实，定然无愧于这一称号）。

激光技术用于各类检测测量
激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。当测定对象物受到激光照射时，激光的某些特性会发生变化，通过测定其响应如强度、速度或种类等，就可以知道测定物的形状、物理、化学特征，以及他们的变化量。响应种类有：光、声、热，离子，中性粒子等生成物的释放，以及反射光、透射光、散射光等的振幅、相位、频率、偏振光方向以及传播方向等的变化。
   ◆激光测距 　　激光测距的基本原理是：将光速为C的激光射向被测目标，测量它返回的时间，由此求得激光器与被测目标间的距离d。即：d＝ct/2   
式中t――激光发出与接收到返回信号之间的时间间隔。可见这种激光测距的精度取决于测时精度。由于它利用的是脉冲激光束，为了提高精度，要求激光脉冲宽度窄，光接收器响应速度快。所以，远距离测量常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源；近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。
    ◆激光测长
　　从光学原理可知，单色光的最大可测长度L与光源波长λ和谱线宽度Δλ的关系用普通单色光源测量，最大可测长度78cm。若被测对象超过78cm，就须分段测量，这将降低测量精度。若用氦氖激光器作光源，则最大可测长度可达几十公里。通常测长范围不超过10m，其测量精度可保证在0.1μm以内。
    ◆激光干涉测量
　　激光干涉测量的原理是利用激光的特性－相干性，对相位变化的信息进行处理。由于光是一种高频电磁波，直接观测其相位的变化比较困难，因此使用干涉技术将相位差变换为光强的变化，观测起来就容易的多。通常利用基准反射面的参照光和观测物体反射的观测光产生的干涉，或者是参照光和通过观测物体后相位发生变化的光之间的干涉，就可以非接触地测量被测物体的距离以及物体的大小，形状等，其测量精度达到光的波长量级。因为光的波长非常短，所以测量精度相当高。
    ◆激光雷达
    激光雷达是用于向空中发射激光束，并对其散射信号光进行分析与处理，以获知空气中的悬浮分子的种类和数量以及距离，利用短脉冲激光，可以按时间序列观测每个脉冲所包含的信息，即可获得对象物质的三维空间分布及其移动速度、方向等方面的信息。如果使用皮秒级的脉冲激光，其空间分辨率可以达到 10cm以下。激光照射在物体上后，会发生散射，按照光子能量是否发生变化，散射分为弹性散射和非弹性散射两种类型。弹性散射又有瑞利散射和米氏散射之分。相对于激光波长而言，散射体的尺寸非常小时，称为瑞利散射；与激光波长相当的散射，称之为米氏散射。瑞利散射强度与照射激光波长的四次方成反比，所以，通过改变波长的测量方式就可以和米氏散射区别开。相应地，非弹性散射也有拉曼散射和布里渊散射两种。拉曼散射是指光遇到原子或分子发生散射时，由于散射体的固有振动以及回转能和能量的交换，致使散射光的频率发生变化的现象。拉曼散射所表现出的特征，因组成物质的分子结构的不同而不同，因此，将接收的散射光谱进行分光，通过光谱分析法可以很容易鉴定分子种类。所以，通过测量散射光，就可以测定空气中是否有乱气流（米氏散射），以及CO、NO等各种大气污染物的种类及数量（拉曼散射）。由此可见，激光雷达技术在解决环境问题方面占据着举足轻重的位置。