激光的应用

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[外文]：laserapplications激光器发出的激光辐射，具有高定向性、高单色性、高相干性、高亮度性以及可调谐等特点，从而突破了以往所有普通光源和普通光辐射的种种局限性，引起现代各种光学应用技术的革命性进展。工业上的应用利用激光的高亮度和高定向性的特点，可以把激光辐射能量集中在较小的一定空间范围内，从而获得比较大的光功率密度，产生几千度到几万度以上的高温；在此高温下，任何金属和非金属材料都会迅速熔化或者汽化，因此可利用激光进行多种特殊的非接触特种加工作业。目前比较成熟的应用有激光打孔、激光焊接、激光切割、激光划片、激光表面处理和激光印刷、激光信息存储等。在化学工业中，利用激光的高亮度、高单色性和可调谐等特点，可以对特定的化学反应进行控制，从而实现光学催化、光学聚合、光学合成、光学提纯和光学分离等过程。目前，利用激光分离同位素的研究工作已经取得了很大的进展。利用激光合成各种特殊的化学物质，在技术上也取得不少的成功。在大型装备和建筑施工中，激光准直与定向技术有广泛而富有成效的应用。例如，利用氦氖激光器制成的激光指向仪、激光铅直仪、激光水准仪和激光经纬仪等，在大型船舶制造、大型建筑和筑路施工、管道和电缆铺设以及隧道开凿和矿井掘进等工程中，应用效果都很好。农业、生物学和医学上的应用在农业方面，利用激光辐射作用可达到选择和培育优良品种的目的。利用激光还可以研究植物从发芽直到成熟结籽的各种基本过程以及光合作用的基本机理；研究病虫害的发生发展规律及防治方法，各种农副产品的保管方法；此外，还可以利用激光遥测对农作物产量进行估算和预报等。在医学领域，随着激光技术的出现，一种新型的以激光为基础的医疗和诊断手段得到了迅速的发展，激光治疗的方式包括辐照、烧灼、汽化、焊接、光刀切割以及光针针炙等。目前，除了临床治疗外，激光还可作为研究医学和生物学课题的有效工具。例如研究激光作用到人或动物体上引起的各种生物学效应；利用激光来研究细胞的组成、分裂、生长和转化等，从而可加深人们对新陈代谢、遗传和发育等生命基本过程的理解。此外，借助于激光技术还可以制成各种新型诊断和测量分析仪器，如激光显微光谱分析仪、激光扫描显微镜、激光显微解剖刀、激光血球计数仪等装置，可在医学和生物学研究中发挥出特殊的效用。激光通信激光是一种光频波段的相干电磁波辐射，因此自然可以利用激光作为光频电磁载波而传递各种信息。激光通信的原理与普通的无线电通信相类似；所不同的是，无线电通信是把声音、图像或其他信号调制到无线电载波上发送出去，而激光通信则是把声音、图像或其他信息调制到激光载波上发送出去。激光通信的优点主要是：传送信息容量大、通信距离远、保密性高以及抗干扰性强。激光通信可分为地面大气通信、宇宙空间通信和光学纤维通信等几大类。在较好的地面气候条件下，可以实现几十公里至上百公里间的定点激光通信；但是激光束一旦受到大气中云、雨、雾、烟尘等因素的影响就会发生衰减和起伏扰动，从而使通信距离和通信质量都受到较大限制。为从根本上克服激光地面大气通信的上述缺点和限制，世界上很多国家在发展激光纤维通信方面作了很大努力，并已取得了可喜的成果。在这种通信系统中，载有通信信息的激光束沿着直径小于0.1毫米的优质光学纤维波导传输，因而从根本上排除了大气中各种衰减和干扰因素的影响。在地球大气层外的宇宙空间，激光束基本上不受任何衰减和干扰影响，因此可实现极远距离间的定向通信联系。人造卫星和宇宙飞船之间的激光通信系统正在研制过程中。利用激光的高定向、高亮度以及可沿空间不同方向和不同位置进行精细扫描的特性，人们可实现激光传真通信，即把图片、文件、样本、字迹等信息，通过激光束的扫描作用而转变为被调制了的电信号发送出去，在接收端通过解调制作用和显示设备，再把所传送的图像信号复现出来。激光传真技术可应用于书写电话、书写电报以及报纸、文件、样本等图像文字信息的快速远距离传输。在电视和录像技术中，可利用定向的激光束扫描代替定向的电子束扫描，从而实现高空间分辨、高保真的图像显示；此外还可利用红外激光扫描而在黑暗环境中拍摄电视或进行录像。最近几年，基于定向激光束扫描记录和扫描检测的原理，人们还制成了商品化的视频录像盘，利用一张普通唱片大小但却是特制的塑料膜盘，可记录约一小时左右的电视节目或录像节目；然后借助激光检测设备，可把塑料膜盘录下的节目随时在电视机上复映出来。激光雷达和激光精密测量尽管现代无线电和微波雷达已发展到非常完善的程度并已取得十分明显的成就，但在某些情况下，它们仍存在一定的局限性和不足。这主要表现在雷达系统的测距与方位测量精度受到脉冲宽度和载波波长等因素的限制；由于受到地面假回波影响而不能很好地探测地面和低空目标；此外，普通雷达还很容易受到各种电磁干扰和核爆炸等因素的干扰。激光技术出现后，利用高亮度、高定向性和脉冲持续时间十分短的激光束来代替普通雷达的微波或无线电波射束，可以大幅度提高测距和测方位精度。激光雷达与测距的另一个优点，是可以不受地面假回波影响而测量各种地面和低空目标，从而填补了普通雷达的低空盲区空白。此外，激光雷达与测距完全不受各种电磁干扰，不但使目前已有的各种雷达干扰手段完全失效，而且还可突破诸如导弹再入弹头周围等离子体层的屏蔽作用，或者核爆炸产生的电离云的干扰作用。为了以较高的精度测量较小的距离或物体的长度，就必须采用光学干涉测长方法。在激光技术出现以前，普通干涉测长方法受到所使用的普通光源单色性的限制，最大量程不超过一米左右，最小的测量误差也只能达到零点几微米左右。但若采用激光干涉测长技术，量程范围在原则上可扩大到几百米到几十公里以上，而测长的精度可成千上万倍地改善。在计量标准方面，利用单色性和频率稳定性极高的特殊激光器系统，还可建立起以激光为基础的长度、时间和频率的国际新标准。比如，用单色和稳频精度为10-13量级的激光器作为光频计时标准，它在一年长时间里所给出的计时误差不超过一微秒，大大超过了目前采用的微波频段原子钟的计时精度。展望激光在上述各方面的中小型应用，一般都已取得肯定的成效，并不同程度地进入了使用推广和发展完善阶段。下面，将进一步介绍正处在探索或研究发展阶段的重大的激光应用项目。这些项目如果最终获得成功，将会引起现代科学技术的一些新的重要突破；因此，受到世界技术先进国家的极大重视，并投入了较多的人力和物力。首先是激光辐射武器的研制问题。一般认为，输出能力极强的激光器装置，在原则上可以发展成为激光辐射武器，用来摧毁敌方的弹道导弹、巡航导弹、战略轰炸机以及军用卫星等高速飞行目标。在某些情况下，还可以用激光辐射来干扰和破坏敌方的军事侦察卫星、红外制导导弹、红外侦察和监视等武器和装置中的光学导航设备或关键的光敏元件，从而使这些武器和装置失灵。其次是激光在原子能科学技术中的应用。激光技术出现后，人们发现，利用铀的不同同位素在激光作用下可呈现出不同物理或化学反应的特性，能够巧妙地设计出以激光可调谐共振辐照作用为基础的新型方法，从而有可能使同位素分离的程序和相应的程序大为简化，分离成本降低，而效率大为提高。因此，激光分离同位素的研究工作，引起许多国家的重视，有可能引起原子能技术的新发展。激光聚变可参见惯性约束聚变。由于激光在宇宙空间定向传输过程中的光能损耗很小，故传输到极远的距离外仍可有效地发生作用。宇宙航行和空间技术中，除了可以用于通信、导航和自动控制等方面外，还可以考虑用激光在宇宙空间中传送能量，或者直接用它作为星际航行的动力。人们已经提出利用强激光的光压、光热、光化学反应或者光子反冲效应来推动光子火箭或激光动力宇宙飞船的设想。激光技术的出现，不但促进了应用技术学科的发展；而且还将极大地促进现代物理学、化学、天文学、宇宙科学、生物学和医学等一系列基础科学的进展。非线性光学（或所谓强光光学）这一新兴光学分支学科领域的出现与发展，就是激光技术对现代物理学发展所起促进作用的明显实例。现在，利用激光可以作为一种强有力的技术手段，来产生像超高温、超高压、超高速、超高场强、超高密度、超高真空等一些极端物理条件，从而便于人们去发现一些新问题、新现象，并对一些已有的重大理论结论进行新的实验和论证。例如，利用激光技术可以研究超光速运动问题和光子的静止质量问题，从而有可能对狭义相对论进行更深入的研究；利用激光技术也有可能创造必要的条件，进行和广义相对论有关的重大原理性实验。此外，还可以利用激光技术来探讨有关宇宙模型和星系结构这一范围更加广泛、意义更加深远的重大科学课题。