为什么说激光的产生是划时代的成就论文

激光的发明是20世纪中期一项划时代的成就，对人类社会文明产生了极其深远的影响。激光的出现不但引起了光学革命性的发展，冲击了整个物理学，并且对其它学科如化学、生物学和技术及应用学科如电机工程学、材料科学、医学等都产生了巨大的影响。随着激光技术的飞速发展和广泛应用，激光已成为科学探测和现代军事战争中极为重要的工具之一。

一、激光的发明和发展

所谓激光就是受激发射的光，是被其它辐射感应而激发的辐射。激光的英文名词为

Laser，是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的词首字母构成的新词，其原意是受激辐射光放大器。早期在我国曾被翻译成“莱塞”、“雷射”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。直到1964年，由钱学森院士提议取名为“激光”，它既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明了它是一种很强烈的新光源。钱学森院士的提议得到国内学术界的一致认同，在中国大陆激光这个新名词就一直沿用至今。

现在我们知道，物质的发光过程有两种：一种称为自发辐射，另一种称为受激辐射。自

发辐射是在没有外来光子情况下，原子自发地、独立地从高能级E2向低能级E1的跃迁。自发辐射是随机过程，跃迁时发出的光在相位、偏振态和传播方向上都彼此无关。受激辐射是处于高能级E2的原子，在受到能量为hv=E2-E1的外来光子的激励时，跃迁到低能级E1，并辐射一个与外来光子的频率、相位、振动方向和传播方向都相同的光子。1916年，爱因斯坦根据物质发光和吸收必须符合能量守恒的基本原则，预言除了大量的自发辐射以外还必然存在着少量的受激辐射，并且这种受激辐射还激光技术的发展历史会进一步引发同类的受激辐射，因此可以获得受激辐射被增强的效应。爱因斯坦的论断为激光的发明提供了理论基础。

直到1960年5月，在休斯公司研究实验室工作的美国科学家梅曼(Theodore Maiman)用

红宝石棒作为激光工作介质，在棒两端镀银反射层构成谐振腔，用高强闪光灯作光泵，激励红宝石晶体内的铬原子，制造出了世界上第一台可以工作的红宝石激光器。此后，历经了30多年的发展，半导体激光器结构由早期的同质结，经历了单异质结、双异质结、量子阱、应变量子阱，直到今天正在发展的自组装量子点和量子级联的单极性结构。目前半导体激光器的可靠性寿命已达数百万小时，波长覆盖从红外到近紫外波段，连续输出功率从若干毫瓦到百瓦水平。半导体激光器发展到今天在诸多领域中，如在光纤通信、光盘存储、全色显示、激光传感、激光印刷、激光加工、激光医疗，以及军事领域中的激光武器、测距、制导等方

面得到广泛应用。可以说，半导体激光器发展速度之快，应用范围之广，发展潜力之大是目

前任何其他激光器所无法比拟的。

激光技术发展到今天，已形成了一个产业。美国、日本、德国三个国家激光产业的发展

代表了当今世界激光产业发展的趋势。美国在500瓦以下的中、小功率激光器方面占优势，

德国在500瓦以上用于材料加工的高功率激光器方面占优势，而小功率的半导体激光器则是

日本占优势，占世界市场的70%以上。这表明各个国家的发展都与他们自己的工业基础有

关。美国由于在基础理论研究和工业发展的支持体系方面的强势，使它在世界激光产业的产

品研发方面走在世界的前列。而日本在以制造技术为基础的半导体产业方面的优势，使它在

半导体激光器世界市场上占有较大的份额。

二、激光的特点

1.单色性纯：光的颜色很纯。可见光的激光谱线宽度可以小到千万分之一埃。白炽灯通

过 1 毫微米的干涉滤光片，透过光的波长为600毫微米，谱线宽度为 106 兆赫。而 He- Ne

激光器发射激光的波长为 633 毫微米。普通光束的光子简并度不大于 10- 3，相当于“噪

音束”，不可能传递大容量信息，只有高简并度的激光才具有可能实现真正光通讯的单色性。

2.亮度高：从几何光学观点看，高光子简并度就是高亮度。激光焦点处的辐射亮度能比

普通光高 108~1010 倍。2 毫瓦 He- Ne 激光器发射光束直径能过 2 毫米，发散角 3*10- 4

弧度，其辐射亮度达到2*105W/cm2.sr。这束激光相当白炽灯的 3 千倍，太阳光的 100 倍。

3.方向性强，发散角小：激光的发散角为毫弧度量级，比普通光及微波的发散角要小2 ~3

个数量级。月球到地面的距离远达384，000公里，如果从地球上发射一束激光到月球表面

上，光斑直径不超过 2，000 米，如果用探照灯，其光斑直径就要有几千公里。

4.相干性好：从物理学观点看，高光子简并度就意味着相干性好。相干性有两种，即时

间相干性和空间相干性。时间相干性是指不同时刻由同一点发出的光波之间的相干性。空间

相干性是指由空间不同点发出的光波的相干性。激光在较长的时间内保持恒定相位差，单色

性又纯，所以干涉效应十分明显。

三、激光技术的发展

激光从研究到实际应用可以分为五个阶段。

1.探索阶段：实验室发现的揭示过程。

2.萌芽阶段：探讨激光的效应，为制定有关研究方向提供依据。

3.基础阶段：为系统的阐述和估价激光的应用打下基础。

4.应用阶段：扩大品种，在一些方面付之实际应用。

5.跟上科学技术的最新发展，推广应用。

四十几年来取得了许多重大的成绩。同时，激光器的发展，现在正在高潮，其发展趋势主要表现在以下几个方面：

1.从实用角度看，主要发展小型化、实用化、高效率和价格便宜的激光器件。

2. 从波长角度看，激光器正向长波长和短波长两面三刀端发展，如远红外激光器、紫外激光器和更短波长的 X、γ激光器。

3.从输出功率来看，大功率的激光器近年来不断出现，其中，钕玻璃激光器的最大脉冲峰值输出功率已达 1013 瓦。气体 CO2 激光器的连续输出功率已有 400 千瓦的报导。

4.从新类型激光器的角度看，首先是准分子激光器发展很快，这种激光器的波长范围很宽，功率可以很大。核激励激光器是一种利用核能来激励工作物质从而产生激光的新型激光器，核激励激光器输出的巨大能量可能用于激光武器、核聚变、远距离能量传输等。

四、激光的应用

由于激光具在一系列优异的特性，因而在工业、农业、国防、医疗、天文、地理、科研尖端等各个方面得到了广泛的应用。由于它良好的方向性，使它在准直和导向方面已获普及应用：由于它的高亮度，使它在各种材料的加工中显示了巨大的威力，使在地球上制造小太阳似的热核聚变有了希望；由于安的相干性好，使全息照相术得到了实际的应用，使长度计量和干涉计量提高了精度。由于它的单色性纯，开创了激光光谱学的新领域，使定向和催化化学得到了突飞猛进。

1 激光技术在运输机械制造中的先进性

1.1 汽车工业

以汽车工业为例，在样车的开发和小批量试生产时，用高度柔性的激光三维切割取代冲孔和修边模具，不仅可以节省大量模具，同时极大地缩短了新车型的开发周期。传统方法研制开发一代新车一般需要 5～7 年的时间，采用计算机辅助设计和辅助制造技术后，新车型的开发周期缩短到了 3 年，在此基础上应用激光技术，新车型的开发周期缩短到7 个月。由于激光三维切割取代模具的优势显著，德国大众汽车公司早在 1986 年就采用了激光柔性机器手切割系统，逐步发展成为汽车制造业巨头。在汽车零部件制造方面，激光焊接的变速器齿轮替代了花键联接的齿轮，极大地减少了零部件的数量，提高了变速器的整体质量与性能，降低了变速器齿轮的制造成本；根据车身不同部位的承重和使用要求，利用激光焊接将不同材质、不同厚度和不同表面状态的坯板拼焊在一起，然后一次压制成形制造车身部件，极大地简化了生产工艺流程，节省了大量材料，显著降低了车身重量。汽车工业发达的欧、

美等国家和地区都建立了生产激光拼焊板的专业公司。在车身总装上，激光焊接取代了电阻点焊工艺使得汽车设计师可以自由地发挥其想象力和创造性，设计出独特风格的车型。同时激光焊接较之电阻点焊具有更高的效率、更优异的性能、更小的材料消耗等优势。

1.2 航空工业

空中客车公司拥有 35 年设计和建造飞机的历史，空客 A380 将整体制造工艺向前推进了一大步，是欧洲空中客车公司设计生产的运输力最大的民用飞机，全机最高载客量为 840 人，面积多出 40%以上，机身重量减轻 18%，成本下降 21.4%～24.3%。空客 A380 之所以能大大减轻飞机重量，减少油耗排放，降低营运成本的主要原因就是采用激光焊接技术应用于飞机机身、机翼的内隔板与加强筋的全部连接，取代原有的铆接工艺，被德国宇航界称为航空制造业中的一大技术革命。

2 钢铁行业中的绿色短流程制造技术

高速线材轧机被称为钢铁行业的“印钞机”。高速线材行业消耗量最大、价格昂贵的关键部件是硬质合金轧辊(辊环)。对于高速线材来说，线材的轧制温度为 900～1 100 ℃，最终轧制速度为 50～130 m/s，辊环工作时受到每秒高达 300 次的交变外应力和热应力，辊环常出现热疲劳裂纹(表面龟裂)且磨损严重。高速线材辊环在表面磨损量达到 6～10 mm 左右时就整体报废，造成了大量昂贵硬质合金材料的浪费，且钨的回收污染比较严重，费时、费力、耗能源。激光宽带熔覆制造高速线材辊环是采用同步送粉的方法，通过光束整形，得到长条形状的激光束(宽度小于 1 mm，长度在 7～30 mm 可以调整)，配置与激光束相应宽度的粉末束流，单道熔覆合金层宽度也在 7～30 mm。该技术效率高，可以在普通合金钢制造的辊环基体外表面熔覆性能优异且与基体结合性能好的硬质合金材料(成形厚度达到10 mm 以上，符合辊环的使用厚度)，获得强韧性、耐磨性、抗热疲劳性较高的梯度合金材料，大大降低激光熔覆成形过程的内应力，降低材料开裂的倾向。激光熔覆能够实现涂层与基体有效的冶金结合，在过渡区获得梯度材料，并能实现很高厚度的熔覆成形。材料韧性和强度的提高，增强了材料耐热疲劳、抗冲击性能，可减小辊环表面龟裂现象及涂层脱落现象。成功解决了粉末材料配方、熔覆裂纹的研究及控制、轧辊熔覆及应力状态分析等多项工艺、技术和机理方面的问题。

3 新型激光器

激光制造系统由激光源、传输与聚焦系统、运动与控制系统、传感与检测系统的组成，其核心是光的产生、传播和控制。其中，激光的能量或功率、光束质量以及对光控制的稳定性是衡量激光制造系统的标准。激光能量或功率表征激光制造系统加工能力的可能性；光束

质量直接限定了可能实现的加工方法、可能传输的距离、可能获得的焦斑尺寸，以及最终可以获得加工质量；对光的控制是实现产业化应用的条件，这三者是激光制造系统的整体要求，激光这把“刀”的质量，既是工业应用的“金钢钻”，也是激光制造系统发展、进步的重要标志。这正是激光制造系统与通信激光、医疗激光和军用激光系统的明显区别。

大功率激光器是激光制造系统中核心组成部分之一。随着激光制造技术的应用越来越广泛，为了满足不同的应用需要，大功率激光器也在不断发展，出现了多种新型的大功率激光器，同样，大功率激光器的发展反过来又刺激着激光制造技术的不断改进和深入。

半导体激光器最早被用作光纤通信中的光(信号)发射器、条形码阅读器和光盘刻录器等方面。如今，半导体激光器不仅传送比特信息也能传送光能量，人们正在逐步认识到半导体激光器在材料加工领域、印刷和图表技术领域、显示及医学领域的潜在应用价值，直接用于材料加工的大功率半导体激光器的发展越来越受到人们的关注。与大功率 CO2激光器和固体激光器相比，大功率半导体激光器具有体积小、波长短、效率高、与光纤的良好耦合、易于调制等优良特性。大功率半导体激光器的出现改变了激光器的基本结构，因为半导体装置经成为新一代激光系统的关键，并在应用领域与气体激光器、灯泵浦固体激光器竞争。目前，各种大功率半导体激光器不断被引入到工业制造中，因为它体积更紧凑、容易水冷、光电转化效率超过 50%，这几乎超出现在所能提供的其他类型激光器光电转换效率的 5 倍，而且在价格方面也变得越来越吸引人，因此引起许多工业国家的重视，并都已开展了大功率半导体激光器的研发计划，研究如何提高激光器的输出功率、亮度、寿命，以及如何改善半导体激光器输出的光束质量，提供可靠的高亮度半导体激光器封装技术和装配结构，从而实现一种全新的全固态激光系统。

4 激光技术在医学方面的应用

医学方面，激光同样属于高端技术。激光医学在临床上的应用主要分为三大部分，包括：

（1）激光在基础医学研究中的应用，主要是通过激光与人体器官组织、细胞和生物分子的相互作用来研究激光的生物效应。

（2）激光诊断，是以激光作为信息载体，利用激光单色性好的特点，对组织病理形态、病理情况下的功能及找出某些致病因素等方面进行光谱分析。

（3）激光治疗，是以激光作为能量载体，利用激光对组织的生物学效应进行治疗，多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。激光技术在医学领域最多人接触过的就是激光手术，激光手术就是利用激光能产生高能量、聚焦精确的单色光，具有一定的穿透力，作用于人体组织时能在局部产生高热量，激光手术就是利用激

光的这一特点，去除或破坏目标组织，达到治疗的目的，主要包括激光切割和激光换肤，这避免了以前人为出现的误差或者误操，因为激光可以直接连接计算机并在计算机全面显示出当前状况，最大限度减少了负面的影响。激光荧光光谱诊断肿瘤的研究是人们非常感兴趣的课题，光谱检测法灵敏度很高，如果能找到肿瘤细胞的特征荧光峰确诊早期癌细胞的存在，对肿瘤的早期诊断和治疗将起巨大作用。但至今，癌细胞的假阴性无法排除，而且比例还很高，在临床上无法单独作为癌细胞检测的依据，关键的原因是未找到癌细胞真正的特征荧光蜂，一般现在人们所谓的特征荧光峰，只是卟啉分子的荧光峰，卟啉分子在肿瘤中多一些，相对荧光强度大一些，但在量上很难确定癌与非癌细胞的界限，这就是产生假阴性与假阳性的原因。因此，客观科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准，是十分必要的。

5 激光技术在农业上的应用

中国是个农业大国，农业在中国起码在当今时代的中国，还是大部分人的主要经济来源，中国农业的发展能否取得更大的进展关乎着更多人的利益。激光技术在农业领域的应用现状主要有：诱变育种、提高种子活力、激光平地整地、防治病害虫、激光处理种子诱变作用与一般射线（如 Ｘ 射线、紫外线等）类似，是通过染色体结构畸变和遗传物质分子改变，最后导致其性状和特性发生变异，再通过细胞分裂遗传给后代，经过人为选择和培育成为新品种。利用 He-Ne 激光辐照花粉后进行属间杂交，获得新品种，提高杂种种子的出苗率和成活率，且在 L1 代植株中均获得染色体自然加倍的双二倍体，即小黑麦种子，现已获得 L17L8 代的小黑麦后代材料和稳定株系。激光诱变育种为小麦属间杂交育种工作开辟了一条新的途径。

激光平地整地技术是利用激光独有特性，将激光束作为控制手段，来控制液压平地机具的升降高度。激光平地设备一般由激光发射器、接收器、控制器和平地机具组成。激光发射器发射一束极细且能旋转360°的激光束，提供恒定平地基准，装有接收器的装置放在靠近平地机具测量标杆上，从激光束到平地刀口之间的固定距离即为标高测量基准，接收器检测到激光信号后不间断地给控制器发送坡度信号，从而实现机具控制。