激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”,是它的英文名称LASER的音译,是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射光扩大"。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。
激光应用很广泛,有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器、LIF无损检测技术等等。激光系统可分为连续波激光器和脉冲激光器。
激光产生
若原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1,E2和E1能级上的布居数密度为N2和N1,在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光,与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此,大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时,两种过程的几率相等。在热平衡情况下N2<N1,所以自发吸收跃迁占优势,光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使N2>N1,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下,受激发射跃迁占优势。光通过一段长为l的处于粒子数反转状态的激光工作物质(激活物质)后,光强增大eGl倍。G为正比于(N2-N1)的系数,称为增益系数,其大小还与激光工作物质的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。
如果,把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜(其中至少有一个是部分透射的)构成的光学谐振腔中,处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中,非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外:轴向传播的光波却能在腔内往返传播,当它在激光物质中传播时,光强不断增长。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗δ(G0l是小信号增益系数),则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级,当原子从高能级向低能级跃迁时,会释放出相应能量的光子(所谓自发辐射)。同样的,当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话,会导致原子从低能级向高能级跃迁(所谓受激吸收);然后,部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子(所谓受激辐射)。这些运动不是孤立的,而往往是同时进行的。当我们创造一种条件,譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场,受激辐射得到放大从而比受激吸收要多,那么总体而言,就会有光子射出,从而产生激光。
激光是一种特殊的光,具有高度的单色性、方向性、亮度和相干性。激光的产生是一个复杂的物理过程,涉及多个关键要素和步骤。以下是对激光产生过程的详细解释:
一、激光产生的基本原理
光子与受激辐射:光子和受激辐射产生的光子具有相同的频率、发射方向、偏振、相位和速率。激光的特点在于它所有的光子都以同样的波长、同样的相位一起运动。受激辐射是指高能级的粒子在适合条件的光子的刺激下跃迁到低能级,并辐射出一个和入射光子同样频率、相位、传播方向和偏振方向的光子。这样通过一次受激辐射,一个光子变为两个相同的光子,光被加强了,或者说光被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。
粒子数反转:在常温下,激发态电子少于基态电子,不会发生连锁反应。要产生持续的受激辐射,需要通过特殊处理实现粒子数反转,即高能级粒子数大于低能级粒子数。
谐振腔的作用:谐振腔为泵浦光源与增益介质之间的回路,通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。它能使受激发的光在腔内多次往返以形成相干的持续振荡并得到放大,同时限制光束的频率和方向。
二、激光产生的具体过程
1、能量激励:使用能量激励(如光学激励、气体放电激励等)使低能级的电子跃迁到高能级,形成粒子数反转分布。
2、受激辐射:在高能级的电子在受到外来光子的刺激下跃迁到低能级,并辐射出一个与入射光子相同的光子,即发生受激辐射。
3、光子增殖与放大:受激辐射产生的光子在谐振腔内不断反射和增殖,形成相干性非常好的激光光束。同时,跃迁到低能级的电子在外来能量的激发下重新回到高能级,以保证持续提供可激发的介质分子。
4、激光输出:当谐振腔内的光子流足够强时,部分光子会通过透射率较低的反射镜射出腔外,形成我们可以使用的激光束。
三、激光器的组成
激光器是激光的发生装置,主要由泵浦源、增益介质、谐振腔等组成。泵浦源为激光器的激发源,提供能量使低能级电子跃迁到高能级;增益介质是激光放大的工作媒介;谐振腔则用于形成相干的持续振荡并得到放大,同时限制光束的频率和方向。
四、激光产生的历史背景
理论提出:1917年,爱因斯坦提出受激辐射理论,为激光的出现奠定了理论基础。
技术探索:1939年,苏联科学家法布里康特提出可以用粒子数反转的方法来实现受激辐射。
技术实现:1958年,美国科学家肖洛和汤斯发明受激辐射微波放大器,使激光进入第二个发展阶段。
首台激光器:1960年,美国物理学家梅曼发明了世界首台激光器——红宝石激光器。
综上所述,激光的产生是一个基于量子力学原理、涉及多个物理过程和组件的复杂过程。激光器的发明和激光技术的不断发展为人类带来了许多革命性的应用和变革。
激光的特点
(一)定向发光
普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播,需要给光源装上一定的聚光装置,如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜,使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光,天生就是朝一个方向射出,光束的发散度极小,大约只有0.001弧度,接近平行。1962年,人类第一次使用激光照射月球,地球离月球的距离约38万公里,但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好,看似平行的探照灯光柱射向月球,按照其光斑直径将覆盖整个月球。
(二)亮度极高
在激光发明前,人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高,与太阳的亮度不相上下,而红宝石激光器的激光亮度,能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高,所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯(光照度的单位),颜色鲜红,激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球,产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯,人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出,能量密度自然极高。
(三)颜色极纯
光的颜色由光的波长(或频率)决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间,对应的颜色从红色到紫色共7种颜色,所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源,它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源,只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一,但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光,单色性很好,被誉为单色性之冠,波长分布的范围仍有0.00001纳米,因此氖灯发出的红光,若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见,光辐射的波长分布区间越窄,单色性越好。
激光器输出的光,波长分布范围非常窄,因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例,其光的波长分布范围可以窄到2×10^-9纳米,是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见,激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。
此外,激光还有其它特点:相干性好。激光的频率、振动方向、相位高度一致,使激光光波在空间重叠时,重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉,所以激光是相干光。而普通光源发出的光,其频率、振动方向、相位不一致,称为非相干光。
闪光时间可以极短。由于技术上的原因,普通光源的闪光时间不可能很短,照相用的闪光灯,闪光时间是千分之一秒左右。脉冲激光的闪光时间很短,可达到6飞秒(1飞秒等于1000万亿分之一秒)。闪光时间极短的光源在生产、科研和军事方面都有重要的用途。
(四)能量密度极大
光子的能量是用E=hf来计算的,其中h为普朗克常量,f为频率。由此可知,频率越高,能量越高。激光频率范围3.846*10^(14)Hz到7.89510(14)Hz.电磁波谱可大致分为:(1)无线电波——波长从几千米到0.3米左右,一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波;(2)微波——波长从0.3米到10^-3米,这些波多用在雷达或其它通讯系统;(3)红外线——波长从10^-3米到7.8×107米;(4)可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从780—380nm。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分;(5)紫外线——波长从3 ×10^-7米到6×10^-10米。这些波产生的原因和光波类似,常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当,因此紫外光的化学效应最强;(6)伦琴射线—— 这部分电磁波谱,波长从2×10^-9米到6×10^-12米。伦琴射线(X射线)是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的;(7)γ射线——是波长从10^-10~10^-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的,放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强,对生物的破坏力很大。由此看来,激光能量并不算很大,但是它的能量密度很大(因为它的作用范围很小,一般只有一个点),短时间里聚集起大量的能量,用做武器也就可以理解了。
受激辐射
什么叫做“受激辐射”?它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中,有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,在高能级上的粒子受到某种光子的激发,会从高能级跳到(跃迁)到低能级上,这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光,而且在某种状态下,能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”,简称激光。激光主要有四大特性:激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
目前激光已广泛应用到激光焊接、激光切割、激光打孔(包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等)、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微雕、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。
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。
激光的其它特性
激光有很多特性:首先,激光是单色的,或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光,但是这些激光是互相隔离的,使用时也是分开的。其次,激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的,整束光就好像一个“波列”。再次,激光是高度集中的,也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。
激光(LASER)是上世纪60年代发明的一种光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母缩写。激光器有很多种,尺寸大至几个足球场,小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器有氦-氖激光器和氩激光器;固体激光器有红宝石激光器;半导体激光器有激光二极管,像CD机、DVD机和CD-ROM里的那些。每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。
原理
光与物质的相互作用,实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子,同时改变自身运动状况的表现。
微观粒子都具有特定的一套能级(通常这些能级是分立的)。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态(或者简单地表述为处在某一个能级上)。与光子相互作用时,粒子从一个能级跃迁到另一个能级,并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E,频率为ν=△E/h(h为普朗克常量)。
1、受激吸收(简称吸收)
处于较低能级的粒子在受到外界的激发(即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用,如与光子发生非弹性碰撞),吸收了能量时,跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。
2、自发辐射
粒子受到激发而进入的激发态,不是粒子的稳定状态,如存在着可以接纳粒子的较低能级,即使没有外界作用,粒子也有一定的概率,自发地从高能级激发态(E2)向低能级基态(E1)跃迁,同时辐射出能量为(E2-E1)的光子,光子频率 ν=(E2-E1)/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光,不具有相位、偏振态、传播方向上的一致,是物理上所说的非相干光。
3、受激辐射、激光
1917年,爱因斯坦从理论上指出:除自发辐射外,处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为 ν=(E2-E1)/h的光子入射时,也会引发粒子以一定的概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射两个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这个过程称为受激辐射。
可以设想,如果大量原子处在高能级E2上,当有一个频率 ν=(E2-E1)/h的光子入射,从而激励E2上的原子产生受激辐射,得到两个特征完全相同的光子,这两个光子再激励E2能级上原子,又使其产生受激辐射,可得到四个特征相同的光子,这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。
爱因斯坦1917提出受激辐射,激光器却在1960年问世,相隔43年,为什么?主要原因是,普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。当频率一定的光射入工作物质时,受激辐射和受激吸收两过程同时存在,受激辐射使光子数增加,受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时,粒子在各能级上的分布,遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律,处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时,光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势,必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反,称为粒子数反转分布,简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。
理论研究表明,任何工作物质,在适当的激励条件下,可在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转。若原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1,E2和E1能级上的布居数密度为N2和N1,在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光,与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此,大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时,两种过程的几率相等。在热平衡情况下N2<N1,所以受激吸收跃迁占优势,光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使N2>N1,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下,受激发射跃迁占优势。光通过一段长为l的处于粒子数反转状态的激光工作物质(激活物质)后,光强增大eGl倍。G为正比于(N2-N1)的系数,称为增益系数,其大小还与激光工作物质的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。如果,把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜(其中至少有一个是部分透射的)构成的光学谐振腔中,处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中,非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外:轴向传播的光波却能在腔内往返传播,当它在激光物质中传播时,光强不断增长。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗δ(G0l是小信号增益系数),则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级,当原子从高能级向低能级跃迁时,会释放出相应能量的光子(所谓自发辐射)。
激光技术应用
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源,识别物体等的一门技术,传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术,传统上看,它的研究范围一般可分为:
激光加工系统
激光加工工艺
包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。
激光焊接:汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器,CO2激光器和半导体泵浦激光器。
激光切割:汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
激光治疗:可以用于手术开刀,减轻痛苦,减少感染。
激光打标:在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用,目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。
激光打孔:激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展,主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主,也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。
激光热处理:在汽车工业中应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理,同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器,CO2激光器为主。
激光快速成型:将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。
激光涂敷:在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。
激光技术的发展前景
激光技术作为一种高新技术,在现代工业、 通信 、医疗等多个领域都有广泛的应用,其发展前景非常广阔。以下是对激光技术发展前景的详细分析:
一、市场需求持续增长
随着全球制造业的转型升级和智能制造的快速发展,激光技术在制造业中的应用将更加广泛,特别是在激光切割、激光焊接等领域。
激光通信技术的快速发展也推动了激光需求的增长。
医疗领域对激光设备的需求也在不断增加,如激光手术、激光治疗等。
二、技术创新推动发展
激光技术的不断创新和突破,如超快激光器的出现,为材料加工、生物医学等领域带来了革命性的变革。
激光技术与人工智能、物联网等新兴技术的融合,将推动激光行业向更高层次发展。
三、应用领域不断拓展
激光技术已在工业、通信、医疗、军事等多个领域得到应用,并且随着技术的进步,其应用领域还将不断拓展。
例如,激光3D打印、激光通信、高功率二极管、AR激光扫描、激光雷达技术、智能激光、量子激光系统、微型激光器、复合激光器等新兴应用领域正逐渐兴起。
四、产业链协同发展
激光行业的发展离不开上下游产业的支持和配合。
随着产业链上下游企业的不断壮大和协同发展,激光行业将形成更加完善的产业链体系,推动整个行业的健康发展。
五、市场规模持续增长
根据相关报告,2022年全球激光器市场规模已达到201亿美元,同比上涨8.8%。全球激光设备市场规模也呈现增长态势,2022年市场规模达到216亿美元,同比上涨2.8%。
预计到2029年,我国激光产业市场规模将以20%左右的增速增长,产业规模或超7500亿元。
综上所述,激光技术作为一种具有广泛应用前景的高新技术,其发展前景非常广阔。未来,随着市场需求的持续增长、技术创新的推动、应用领域的不断拓展以及产业链协同发展等因素的共同作用,激光技术将迎来更加繁荣和多元的发展态势。
研究进展
操作激光
美国得克萨斯州大学的科学家研制出世界上功率最强大的可操作激光,这种激光每万亿分之一秒产生的能量是美国所有发电厂发电量的2000倍,输出功率超过1 拍瓦-相当于10的15次方瓦。这种激光第一次启动是在1996年。马丁尼兹说,希望他的项目能够在2008年打破这一纪录,也就是说,让激光的功率达到1.3拍瓦到1.5拍瓦之间。超级激光项目负责人麦卡尔·马丁尼兹表示:“我们可以让材料进入一种极端状态,这种状态在地球上是看不到的。我们打算在德州观察的现象相当于进入太空观察一颗正在爆炸的恒星。”
激光“抓住”碳纳米管并使之移动
美国伊利诺伊州纽约大学的科学家和一家光学公司的科研人员试验了一种名为“光学捕获”的技术,试图更便利地操纵碳纳米管。光学捕获技术就是利用激光能捕获微小粒子的能力,在移动激光束时使微小粒子跟随激光移动。由于激光能捕获微小粒子,因此在它移动时就会像镊子一样,“夹”着微小粒子移动。科学家把这种现象称为“激光镊子”。2013年时生物学家已能用激光镊子夹住单个细胞。例如,从血液中分离出单个血红细胞用于研究镰刀状血红细胞贫血症或疟疾治疗研究。激光镊子能“夹”住微小粒子,是因为激光束中心强度大于边缘强度,因此当激光束照射一个微小粒子时,从中心折射的光线要比向前的光线多。
当折射的光线获得向外的冲力时,粒子上的反作用力就使冲力指向激光束中心,因此粒子总是被吸引到激光束中心。如果粒子非常小且具有很小的重力或摩擦力,当激光束移动时,粒子就会跟着移动。
然而,激光镊子移动的血细胞直径有几微米,但2013年以前要移动直径仅2~20纳米的碳纳米管会麻烦得多。因此想利用单个激光镊子移动大量碳纳米管到一定位置,可能会与用原子力显微镜一样费事。
为此,科学家用一种液晶激光分离器把激光束分成200个可单独控制的小激光束,研究人员可以控制这些激光束使之形成三角形、四边形、五边形和六边形等形状,从而移动大量的纳米管群,使它们在显微镜载片表面定位,达到移动碳纳米管的目的。
光学捕捉技术的成功,受到美国加利福尼亚大学的纳米管专家、物理学家亚历克斯·泽特尔的称赞,他说,因为2013年还没有一种可靠的技术能操纵大量的纳米管,而这种新的光学捕获技术有可能应用于工业。
传媒实验
NASA演示激光束传视频实验 传速达每秒1000多兆
2014年4月美国国家航空航天局喷气推进实验室成功完成了一项光学技术演示验证实验,其特定程序“激光通讯科学的光学有效载荷”(OPALS)可将NASA未来航天器的通信速率提高10至100倍。这是NASA第一次在轨道实验室试验光通信。
在太空任务中,使用的科学仪器越来越需要更高的通信速率将收集到的数据发送回地球,或者支持高数据速率的应用,如高清视频流。光通信也称为“激光通信”,是一种新兴的通过激光束传送数据的技术。其可提供更高的数据速率,超过当前采用的射频(RF)传输速度,并且具有在频带操作不受当前美国联邦通信委员会监管的优点。
该项目经理马特·亚伯拉罕森表示,光通信已具有改变游戏规则的潜力。许多深空探测飞行任务在执行每秒200到400千比特的通信任务。OPALS将展示高达每秒50兆比特的传输速度,未来深空光通信系统甚至会提供每秒1000多兆比特的传速。
首次捕捉
2015年1月27日,《新科学家》(New Scientist)报道,利用能探测到单光子,每秒200亿帧的超高速摄像机,科学家首次捕捉到了激光在空气中飞行的画面。在10分钟内,研究者记录了光子与空气碰撞时产生的200万次激光脉冲。该技术可用于巡查环境角落,显示屏幕上看不到的物体,还可用在需要精准计量时间信息的地方。
苏格兰赫利瓦特大学的主要研究者加里皮说:“这是我们第一次看到光经过身边时的情形。”在通常情况下,科学家只能通过物体上的反射来看到光。想看到激光器发出的激光则更加棘手,因为光子是在聚焦光束中运动,而且方向都相同。
该相机由爱丁堡大学开发,其感光部件由单光子光敏像素阵列构成。这些像素有两种特性:一是对单个光子敏感的能力——每个像素的敏感性是人眼的10倍左右;二是它们的速度——每个像素被激活只要67皮秒(万亿分之一秒),比人眨一下眼的时间要快10亿倍。“这些特性让我们能实现‘飞光成像"。”里奇说,当光在空中飞行,从物体上散射开来时,这种成像方法连光本身也能拍下来。
相关设备
超快激光器
超快激光器是太阿激光基于SESAM锁模技术的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飞秒激光器开发的激光器。 Amberpico系列皮秒激光器具有超短脉冲宽度(小于15ps)、高单脉冲能量(最大单脉冲能量30mJ)、高重复频率(1kHz以上)和值得信赖的优良输出性能, Amberfemto系列飞秒激光器脉冲宽度小于200fs,重复频率1Hz—100kHz可选,具有优异的空间模式和卓越的功率稳定性。可以实现高效的二倍频、三倍频、甚至四倍频光的输出。波长范围遍及红外、绿光、紫外,波长最短可以达到266/263nm。
皮秒连续锁模激光器
皮秒连续锁模激光器就是脉冲宽度压缩到ps量级(10-12s) 的“超短”脉冲连续锁模激光器。按照泵浦方式,可以分为灯泵浦皮秒连续锁模激光器和半导体泵浦皮秒连续锁模激光器;按照锁模方式,可以分为半导体可饱和吸收体连续锁模皮秒激光器和染料连续锁模皮秒锁模激光器;按照激光媒质,可以分为固体皮秒连续锁模激光器和光纤皮秒连续锁模激光器等。 一般采用半导体可饱和吸收镜作为锁模器件,LD泵浦的皮秒连续锁模激光器。所谓半导体可饱和吸收镜,一般是采用外延法将半导体可饱和吸收体直接生长在半导体布拉格反射镜上,因此被叫做可饱和半导体布拉格反射镜(Saturable Bragg Reflector,简称SBR)或半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirror,简称SESAM)。
激光研究在近年来取得了显著的进展,涵盖了技术创新、市场应用、国产化进程等多个方面。以下是对激光研究进展的详细概述:
一、技术创新
1、纳米加工技术:
利用空间光调制和激光脉冲在硅内部实现了精确的纳米制造,创造出先进的纳米结构,有望用于电子学和光子学领域。这种技术突破了传统光刻技术的限制,实现了深埋在硅片内部的纳米结构制造,为未来的三维纳米制造提供了可能。
2、高功率光纤激光器:
国内龙头企业如锐科激光在光纤激光器领域取得了显著增长,反超了国际巨头如美国IPG光子公司。光纤激光器的国产化率不断提高,特别是在1kW-3kW、3kW-6kW功率段,国产化率已达到98%以上。在10kW以上功率段,国产激光器渗透率也快速增长至近70%。
3、核心元器件技术:
随着技术的不断突破,激光产业核心元器件如激光芯片、半导体激光器等国产化进程加快。虽然目前高端工业激光器仍部分依赖进口,但国内企业正在积极攻克技术难关,提升国产化比例。
4、新兴激光技术:
包括激光3D打印、激光通信、激光雷达、智能激光系统等新兴技术不断涌现。这些技术为激光行业带来了新的增长点,推动了激光技术的多元化发展。
二、市场应用
1、制造业:
激光技术在制造业中的应用日益广泛,特别是在激光切割、激光焊接等领域。随着全球制造业的转型升级和智能制造的推进,激光设备的需求持续增长。
2、通信领域:
激光通信技术作为一种高效的远距离数据传输方式,正在逐步取代传统的无线电波通信方式。特别是在空间探索和军事行动中,激光通信具有更高的数据速率、改进的安全性和抗电磁干扰能力。
3、医疗领域:
激光设备在医疗领域的应用也在不断增加,如激光手术、激光治疗等。激光技术的精确性和无创伤性使其在医疗领域具有广阔的应用前景。
三、国产化进程
1、政策推动:
随着各类利好政策规划的出台,国内激光企业通过自主创新掌握核心技术,激光技术与高端制造实现了深度融合。这不仅推动了激光产业的快速发展,也加速了激光设备的国产化进程。
2、产业集群效应:
以武汉光谷为代表的中国激光产业基地聚集了众多上市公司和专精特新“小巨人”企业,形成了完善的激光制造产业体系。这些企业在技术创新、市场开拓等方面相互支持、协同发展,共同推动了激光产业的国产化进程。
四、未来趋势
1、技术创新持续:
预计未来激光技术将持续创新,特别是在超快激光器、量子激光系统等领域将取得更多突破。这些新技术将为激光行业带来革命性的变革。
2、市场应用拓展:
随着智能制造、新能源汽车、医疗等领域的快速发展,激光设备的应用领域将进一步拓展。这将为激光行业带来更多的市场机遇和发展空间。
3、国产化加速:
在政策推动和市场需求的双重作用下,国内激光企业将继续加大研发投入,提升核心技术的国产化比例。预计未来几年内,激光设备的国产化进程将进一步加快。
综上所述,激光研究在技术创新、市场应用、国产化进程等方面均取得了显著进展。随着全球制造业的转型升级和智能制造的推进,激光技术将在更多领域发挥重要作用,推动相关产业的快速发展。
大事年表
1917年:爱因斯坦提出“受激发射”理论,一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。
1953年:美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身:微波受激发射放大(英文首字母缩写maser)。
1957年:Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词,从理论上指出可以用光激发原子,产生一束相干光束,之后人们为其申请了专利,相关法律纠纷维持了近30年。
1960年:美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光。
1961年:激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。
1962年:发明半导体二极管激光器,这是今天小型商用激光器的支柱。
1969年:激光用于遥感勘测,激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器,测得的地月距离误差在几米范围内。
1971年:激光进入艺术世界,用于舞台光影效果,以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。
1974年:第一个超市条形码扫描器出现。
1975年:IBM投放第一台商用激光打印机。
1978年:飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机,不过价格很高。
1982年:第一台紧凑碟片(CD)播放机出现,第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。
1983年:里根总统发表了“星球大战”的演讲,描绘了基于太空的激光武器。
1988年:北美和欧洲间架设了第一根光纤,用光脉冲来传输数据。
1990年:激光用于制造业,包括集成电路和汽车制造。
1991年:第一次用激光治疗近视,海湾战争中第一次用激光制导导弹。
1996年:东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器。
2008年:法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。
2010年:美国国家核安全管理局(NNSA)表示,通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘(质量数2)和氚(质量数3),解决了核聚变的一个关键困难。
2011年3月,研究人员研制的一种牵引波激光器能够移动物体,未来有望能移动太空飞船。
2013年1月,科学家已经成功研制出可用于医学检测的牵引光束。
2014年6月5日美国航天局利用激光束把一段时长37秒、名为“你好,世界!”的高清视频,只用了3.5秒就成功传回,相当于传输速率达到每秒50兆,而传统技术下载需要至少10分钟。
国内前景
激光功率已不足以描述切割能力的大小,亮度(Brightness)才是。亮度的定义是“单位面积单位立体角的激光功率”。
对比CO2激光器、碟片激光器和光纤激光器,可以得出这样的结论:直到5千瓦,以光纤激光的亮度最大,切割金属板最快最厚的当属光纤激光。但实际上切割厚板尚不如CO2激光,尽管碳钢对近红外的1.07掺镱光纤激光的吸收率数倍于中红外10.6的CO2激光,但10倍于光纤激光波长的CO2激光之切缝比光纤的宽得多(一般2mm),氧气易于吹入。 这就是CO2激光46年来一直独占固体激光之鳌头的缘由。
第一,国产激光切割机的量产与自主开发力度的加大,外国一线公司在华本土化的生产,缩小了二者的产品差距与价格差距。用户对国产机的认同度不断提高,其在2010年国内市场的占比高达80%。
第二,2010年我国千瓦以上大功率CO2激光切割机销量达1000台,占全球市场的20%-25%。上海团结普瑞玛、大族激光、武汉法利莱、奔腾楚天等一线厂商都有大幅的增长。最多一家竟占了国内市场的30%。市场兴旺得力于扩大内需,但主要是这种加工手段的魅力,特别在铁路钢铁、工程机械、汽车造船、航空航天和军工等高端市场的旺盛需求。2014年市场难料,但可深信一点,2013年大起,2014年绝不会大落,作为制造大国的中国,保有量不会低于10000台。须知2000年前的10年我国的总量才280台。
第三,我国大功率激光切割装备的产业链远未形成,尚无自主知识产权的新型大功率激光器,无论激光器还是切割机的关键元部件都得依赖进口。价昂的电容切割头及作为耗材的光学镜片等的研发生产,迄今都无人问津。成不了国内配套,进军海外市场不过是梦想。唯有待到国产整机批量出口之日,才是我国这一产业的形成之时。
第四,光纤激光是当前的热门话题。ROFIN与TRUMPF分别收购NUFERN与SPI公司发展光纤激光已三年,今春上海慕尼黑激光展上,ROFIN展出了2KW光纤激光器,但全球高功率光纤激光器市场依然是IPG一统天下。继上年SALVAGNINI与LASER PHOTONICS等公司展出用其的光纤激光器之切割机后,2010年11月在亚特兰大的FABTECH 与汉诺威的EUROBLECH 展会上又推出愈来愈多的光纤激光切割机。欣喜的是一批海归博士矢志回国创业,创建了武汉锐科光纤激光、西安炬光等公司,研发生产高功率光纤激光器与二极管激光泵源,相信有自主知识产权的4KW连续波光纤激光器不久将会呈现在国人面前。
发展前景
激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,特别适用于自动化加工,激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备,已成为企业实行适时生产的关键技术,为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。透过将激光束集中在单分子上,ETH Zurich的科学家只用单个分子就产生激光运作的基本条件──受激发射(stimulated emission)。由于在低温下,分子会增加它们的外表面积(apparent surface area)来跟光线互动,因此研究人员将分子冷却到摄氏零下272度,也就是只比绝对零度高1度两条光束瞄准单分子。
在受控制的模式下,利用一道激光束来让单个分子进入量子态(controlled fashion),研究人员如此能明显的缩减或是放大第二道激光束。这种运作模式与传统的晶体管如出一辙;晶体管内的电位(electrical potential)能用来调变第二个信号。不过ETH Zurich并未透露其单分子的化学方程式。由于其性能与散热效能的优势,光子运算技术是科学家们长期追求的目标;光子(photon)不仅发热比电子少,也能达到高出相当多的数据传输速率。不过光通讯技术却只能逐步地从长距离通讯,进展到短距离通讯,再进入单系统中。
应用领域
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源,识别物体等的一门技术,传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术,传统上看,它的研究范围一般可分为:
1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。
2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微雕等各种加工工艺。
激光焊接:汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。2013年使用的激光器有YAG激光器,CO2激光器和半导体泵浦激光器。
激光切割:汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
激光笔:又称为激光指示器、指星笔等,是把可见激光设计成便携、手易握、激光模组(二极管)加工成的笔型发射器。常见的激光笔有红光(650-660nm, 635nm)、绿光(515-520nm, 532nm)、蓝光(445-450nm)和蓝紫光(405nm)等,功率通常以毫瓦为单位。通常在会报、教学、导赏人员都会使用它来投映一个光点或一条光线指向物体,但激光会伤害到眼睛,任何情况下都不应该让激光直射眼睛。
激光治疗:可以用于手术开刀,减轻痛苦,减少感染。
激光打标:在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用,2013年使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。
激光打孔:激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展,主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由2008年的400w提高到了800w至1000w。国内2013年比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。2013年使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主,也有一些准分激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。
激光热处理:在汽车工业中应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理,同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。2013年使用的激光器多以YAG激光器,CO2激光器为主。
激光快速成型:将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。2013年使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。
激光涂敷:在航空航天、模具及机电行业应用广泛。2013年使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。
激光成像:利用激光束扫描物体,将反射光束反射回来,得到的排布顺序不同而成像。用图像落差来反映所成的像。激光成像具有超视距的探测能力,可用于卫星激光扫描成像,未来用于遥感测绘等科技领域。
医学
激光在医学上的应用主要分三类:激光生命科学研究、激光诊断、激??
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