激光技术的发展与应用

大家知道激光于1960年5月16号那一天诞生，第一台红宝石激光器是美国人发明的。第一台激光器诞生以来，激光技术无论在工业、农业、军事、天文，包括我们的日常生活都得到了非常广泛的应用，因此激光成为仅次于电脑的第二大重要发明。在美国有一个最流行的关键词汇排序：第一是引擎，第二是电脑，第三就是激光。激光现在无所不在，我举个最简单的例子，我手上拿的这个东西（激光指示笔）就是激光，电脑里有激光刻录，我们的MP3、CD机，这都是我们日常最常见的一些激光产品。设想如果某一天我们把世界上所有的激光器关闭了会出现什么情况？那将会直接影响到我们的经济，直接影响到国民的生活。还有一个跟我们所有的人都密切相关的激光应用——电话，世界上的通讯大概80%都是用光缆，就是用激光的方式进行通讯的。我们目前所接触到的是一些日常见到的，但是未来激光还会有更多的应用。

激光原型机的发明人是梅曼，而激光的第一个专利持有人是肖洛和汤斯。现在激光的使用者众多，由于激光技术及其应用而获得诺贝尔奖的有11位得主。激光刚发明的60年代初，正是东西方冷战激烈的时候。当时人们设想，是不是可以把激光作为武器直接投入战争。当年世界最强的美国、苏联都投入了大量的人力、物力、财力去研发激光。我们中国科学院系统最早开始研究激光是长春光机所，后来又有上海光机所，西安光机所、安徽光机所、成都光电所等陆续成立，当时这几个所都是以激光基础、激光技术或者强激光为背景建立的。

我们来看看激光原理。大家知道原子被光子激发的时候将吸收能量，它会跃迁到上能级；而当上能级的原子跃迁到下能级的时候它会发出一个光子。当一个光子激发上能级的粒子的时候它会发出两个光子，这两个光子跟激发的这个光子的特性是完全一样的。这就是所谓的受激发射。利用这个机理，在一个充满激光介质的环境中，加上两个反射镜形成谐振器，光子在谐振腔里振荡，在这个过程中间光子不断地得到激发，不断地得到放大，振荡到某一个阈值突然打开开关让这个光出来，这就是激光。

激光有一个很显著的特点它的方向性特别好。我们看这个日光灯，荧光灯，所有的白炽灯都是四面八方的辐射，而激光是方向性特别好的一束光。此外激光的单色性也特别好。白炽灯也好，荧光灯也好，它们是由多种的光谱成分组成的，它是多色的，最后综合到我们视觉里就是一个白色的效果。而激光是某一种特定的波长，它是单色的，而且是高亮度的。我们知道激光是不能直接照射眼睛的，照到眼里会伤害人，激光武器就是应用这个高亮度还有高相干性的特点。这是物理学上的一个概念，任何一个时刻激光的光子的性质是相同的。

激光运转的时候可以有连续激光、有脉冲激光。脉冲激光的宽度有纳秒量级的，有皮秒量级的，也有飞秒量级的。

我们看看激光的种类，激光的种类可以根据它的工作物质的不同，以及激励方式的不同、运转方式的不同和输出波长不同来进行分类。我们接触的比较多的是固体激光器，现在由固体激光器发展成全固态激光器，它是由晶体或者玻璃作为激光基质，然后通过金属离子作为工作介质产生辐射。比较典型的就是Nd:YAG激光器（钇铝石榴石激光器）、红宝石激光器还有光纤激光器。另外一类就是气体激光器，气体激光器顾名思义它的工作介质就是气体。这里有原子，有离子，有分子，还有准分子激光。还有一类就是液体激光器，液体激光我们也称为染料激光，它主要是由有机溶液，或无机溶液掺入金属离子作为工作介质。另外还有半导体激光、自由电子激光等等。

这几种类型的工作介质激光做个比较，气体激光器相对来说体积比较大，但是它的寿命比较长，最主要它的光谱特性非常好，光谱质量好。染料激光器的特点就是光谱范围比较宽，但是它的光束质量比较差，另外它的能量很低。化学激光器的功率很高，体积很大。过去固体激光器用氙灯泵浦，光束质量比较好，功率也比较高，但是相对于现在的所谓的全固态激光器来说它的体积比较大一些。而半导体激光器最大的特点就是体积非常小，寿命也很长，它的缺点就是光束质量比较差，能量比较小。我们现在发展到全固态激光器，相对于过去传统的固体激光器来说它的体积要小得多，结构紧凑，另外它的寿命比较长，光束质量比较好，功率比较高。现在作为激光的工业应用，以及军事上的激光应用大部分采用这种全固态激光器。

我们看看激光器的种类（图1--图6）：氦氖激光器，光纤激光器，薄片固体激光器，半导体激光器，倍频YAG激光器（钇铝石榴石激光器）和氦镉激光器。

图1 He-Ne激光器

图2 光纤激光器

图3 半导体激光器

图4 倍频Nd:YAG激光器

图5 薄片固体激光器

图6 氦镉激光器

根据激光的激发方式可以进行分类，一种是光泵式的激光器。所谓光泵式的激光器就是用光作为激发源来激发介质产生激光。还有一种电激励式的激光器，就是用电的方法直接激励工作介质，大多数气体激光器采用这种形式。化学激光器是通过化学反应来释放能量，给工作介质提供激励。这种激光器由于其能量高是激光武器的一个重要的候选者。还有就是所谓的核泵浦激光器，就是用小型的核裂变装置产生能量去泵浦激光。

按照激光的运转方式我们可以进行分类，一种就是所谓的连续激光器。连续激光器激光是连续输出的。还有就是脉冲激光器，脉冲激光器就是以脉冲的方式“啪啪啪”这样发射的。在工作中经常采用的是高重复率的脉冲激光器，这种激光器对于我们使用者来说非常的方便，它可以做到几千赫兹运转，实际上是一种可以准连续运转的激光器，这样很适合应用。还有所谓的调Q激光器，专门的激光技术进行调制。另外从激光技术来说有锁模激光器，有单模单频激光器，还有可调谐激光器等等。

从激光输出波段来看，首先可见光波段：在整个光谱范围内可见光的区域是很窄的，实际人眼的识别能力是非常有限的。多数激光运转在可见光波段。当然现在的激光运转覆盖了从红外一直到X光波段。因此我们可以根据自己的需求去使用不同波段的激光。对于远红外激光分类是从25到1000微米，这主要是一些分子气体激光器以及自由电子激光器位于这个波段。中红外激光器位于2.5到25微米，比较有代表性的是二氧化碳激光器和一氧化碳激光器。近红外的激光器比较有代表性的是一些固体激光器，像YAG激光是最典型的一个代表，还有一些半导体激光器。

可见光激光器主要有红宝石、氦氖、氩离子、氪离子激光器等等，以及可调谐染料激光器。有代表性的就是694.3 nm红宝石激光器，是比较经典的一条激光谱线，还有氦氖632.8 nm也是非常经典的一种红色的激光器。氩离子是绿色的，氪离子是蓝色的。紫外激光器有氮分子激光器，有氟化氙准分子、氟化氪准分子激光等等。所以现在激光的整个运转波段应该说是比较齐全的，基本上满足我们人类科研需求及生产应用。

另外还有就是所谓的真空紫外激光器，真空紫外激光器是指5.0到200nm，比较有代表性的是氢分子激光器，还有氟化氩激光器（ArF）。波长为193 nm的ArF准分子激光器是现在光刻领域应用的最热门的一种激光，在工业生产中应用的非常多。另外现在的激光眼科治疗仪大家知道吗？听说过激光治疗近视眼吗？就是用这种193nm ArF激光器。还有所谓的六倍频的全固态激光器，就是使用我们理化所研发的这种KBBF晶体产生的177.3nm的激光，处于真空紫外，目前在世界范围只有我们理化所能提供这种产品。再就是X射线激光器，X射线激光器目前还在探索过程中。

我们粗算一下自1960年发明第一台激光器到现在一共有54年整吧，跨55年，所以我做了一个激光55年的时间发展表。爱因斯坦提出受激辐射理论是在1917年。1953年美国的物理学家提出了“Maser”，就是微波受激发射放大，这是激光前期的一些研究基础。到了1957年发明了“Laser”这个单词，“受激发射的辐射光放大”，从理论上预言了激光可以产生。一直到1960年梅曼第一次实现了红宝石激光的运转，从理论提出到第一台激光器的实现这个过程经历了几十年。当然从1960年到现在是54年整，55年，我们可以看到激光的技术发展是非常的迅猛。

1961年激光首次被应用在外科手术中，切除视网膜的肿瘤；1962年发明了砷化镓半导体的二极管激光器；1963年二氧化碳激光器发明；1965年研发了第一台激光光盘；到了1969年激光应用在“阿波罗11号”飞船遥感勘测，精确测定了地球与月球的距离。1971年激光进入艺术世界，激光舞台，我们当今经常可以看到非常绚丽的舞台效应，就是利用激光技术实现的。到了1974年随着半导体激光器的大规模使用，第一台超市条形码的扫描器诞生，这个跟我们普通老百姓的关系非常密切，所有的超市都用这种装置来显示商品的信息。1975年的第一台商用激光打印机，1978年第一台LD（激光影视播放机）。我还记得当年，那时候我的一个朋友买了一台LD机，机器花不了多少钱，但一张光盘，普通唱片大小的一张光盘要500元钱。那个时候500块钱可是一个钱，10个月的工资，所以那个时候很奢侈的。就这么一个光盘很多朋友都去看，去听。1982年我们现在广泛流行的CD机诞生了。1983年美国里根总统发布了著名的“星球大战”演说，他描绘了所谓太空的激光武器。1988年北美和欧洲之间诞生了第一条光纤光缆，通过激光来传输数据，通话。1991年激光开始应用于制造业，这主要的是在半导体集成电路、元器件，和汽车制造。1991年激光开始治疗近视眼，这也是我们国家现在最大的一个激光医疗产业。1991年随着海湾战争的爆发，美军第一次使用激光制导导弹。1996年日本东芝推出了DVD。 1997年朱棣文发明的激光冷却俘获原子技术获得诺贝尔奖，后来他曾担任过美国能源部部长。2008年法国的科学家使用光纤进行微创手术。2010年美国核安全局使用192束激光照射靶丸产生核聚变反应，就是所谓的新型能源，这是目前世界上最大的一个激光装置。

我们来看看中国的激光第一人，这些科研工作者都为中国的激光事业作出了重要贡献。红宝石激光器当时是长春光机所王大珩先生首先制作出来的，这是我们国家第一台激光器，1961年9月份。我们可以看到这个激光器的诞生和世界上第一台红宝石激光器的诞生相差一年的时间。或者说我们当时的差距是一年，现在我估计，我们与世界最先进的激光技术应用差距十年到二十年（最前沿的激光技术差距也许小一些）。

1963年上海光机所邓锡铭研制成功了我国第一台氦氖激光器，然后1963年研制成功第一台掺钕钇铝石榴石激光器。1963年半导体所王守武研制成功了第一台半导体激光器。电子所万重怡1964年制作了第一台脉冲的氩离子激光器。1976年安徽光机所胡雪金研制成功了第一台准分子激光器。2014年10月上海技物所徐刚毅等人研制了第一台太赫兹量子级联激光器。

激光应用的领域非常广泛，它现在和我们人类的生产生活是密切相关的。我们可以看到,对于工业领域来说激光应用非常广泛，像焊接、切割、淬火、打标、微纳制造加工，现在最时髦的3D打印，还有精密测量，包括时间、长度的测量等等。农业方面激光育种是比较传统的一个项目。医学方面激光手术、美容、心血管还有癌症的诊断和治疗。对于军事上的应用就更多了，激光枪炮、激光制导、激光反导、通信、陀螺、测距等等。在科学研究领域激光的应用也非常的多，因为激光是一个非常好的工具，激光光谱、同位素分离、激光全息等等。日常生活中商场里用的条纹码扫描器、激光指示器、CD机、VCD、激光电视、全息邮票、激光打印机、复印机、激光艺术舞台等等，这都是和我们老百姓日常看得见摸得着的一些例子。

我们看这一台激光器就是世界上的第一台红宝石激光器（图7），从此开始了激光的新时代。在工业上激光广泛应用于测量、检测。激光有个特点，它特别适合于应用在某些传统工业或者传统方法没办法加工，没办法解决的某些工艺上，尤其是对一些硬质材料的加工更有特色。可能我们在座的人都知道，过去说你的手表好不好，有多少“钻”，某人戴了个好手表，17钻的，15钻的，21钻的，大家还有印象没有？这个“钻”是指什么？是指我们手表里的钻石轴承数或者是宝石轴承数。过去传统的宝石加工是非常困难的。传统工艺是什么呢？这个宝石轴承孔是用一根钢丝高速旋转，沾着金刚砂把它打穿磨光的。所以每一个“钻”加工出来是非常的耗时、昂贵。而我们现在用激光的方法来加工就非常的简单，用激光一个脉冲或者几个脉冲就可以把它加工出来。那个时候我们在学校当学生的时候去参观车间，那简直是革命性的创举，全部是流水线，小小的轴承，小小的宝石，一个个流水线传过来这个激光“哒哒哒” 就加工出来了。所以这样的话我们现在的手表就不再单纯用多少钻多少钻的加工费来衡量它的价值了。

图7 1960年5月16日，美国加利福尼亚休斯实验室，32岁的西奥多·梅曼(Theodore Maiman)设计和建造了一台小型的激光发生器，螺旋闪光灯缠绕在几mm大小的红宝石棒上，产生了世界第一束激光。

一些比如特殊的合金材料零件，过去加工也是非常困难的，而现在采用激光的方法加工就非常的简单。另外对一些两种不同性质的材料加工，如果把这两种不同的材料焊接起来，在过去工艺上是没办法解决的（用胶水粘连？），而现在我们用激光的方法就可以很好的解决。这是一些激光焊接或者激光切割加工时的一些图片（图8、图9、图10），这都是大工业应用的。这是激光淬火的工件，这是激光打孔，这是激光焊接。当年航天航空部有一个所搞飞机发动机，飞机发动机有一块曲面散热板，采用不锈钢的，它要求在这个不锈钢上打出零点几毫米的孔，要一次打几百个。过去的加工就是用机械钻头，而且又在一个曲面上，一个特殊的曲面上加工。用钻头一个孔一个孔地加工，费工、费时、精度低。现在采用激光技术，通过计算机控制，一个是精度非常的高，二是加工很快，成本非常低。

图8、图9、图10、激光加工：焊接、切割、打孔、淬火等。

这是医院用的一种注射针（图11），它要求把针头和针管密封焊接起来，针头是金属，针管是塑料，实际上这在传统工艺上没有办法实现，用激光可以同时融化两种不同性质的材料，将其焊接在一起。这个是汽车的钥匙（图12），它是一个塑料的外壳，里边是无线遥控装置，用激光的方法把它密封焊接起来。现在高档的车钥匙都是采用这种方法，一次性焊接，要是想把它拆开的话就把它毁坏了。

图11 医用针的激光焊接（金属与塑料的焊接）。

图12 汽车钥匙的激光焊接。

这是激光加工出来的各种零部件（图13），大家可以看到这些加工出来的零部件都非常的精细，而用传统的机械加工的方法（车、铣、刨、磨等）加工是很困难的。也许大家对这个图形（图14）可能感到很奇怪，这个图形凡是搞过机械加工的人你们可以想想，要用普通的机械加工是很困难的，基本上是加工不出来这个东西，而用激光的方法就可以把它很方便的加工出来。这是汽车生产线上的激光焊接（图15），全部采用流水线，一条生产线上有十几台二十几台的激光焊接机器人。这是激光轧辊淬火，科学院力学所最早研发的项目。这是激光叶片的整形。这是激光打标（图16），在各种工具上或者零部件上打出标记来：商标、型号、参数等。这是激光全息：这是激光全息邮票，这是我们中国发行的全息邮票。这是激光电视，这个等会儿许祖彦院士会给大家作详细的介绍。图17是激光舞台的梦幻效果，也是舞台艺术。这是激光媒体，把人体模特和激光扫射出来的各种图形组合在一起。我们可以看到这是面额5美元的一张美钞，这是一个半导体激光器，它的尺寸就这么小。

图13 激光切割的各种零件。

图14 激光刻蚀的零件，用普通的机加工艺十分困难。

图15 汽车生产线上的激光焊接机器人。

图16 激光打标。

图17 激光舞台艺术。

这是激光雕刻的各种部件，木头、布匹。这是激光刻划的各种图形和贺年卡片。激光可应用于文物保护，这个是被污染的一个文物，这是激光清洁以后的效果。

激光在通信工程中应用非常的广泛，除了电话、电视，它还包括各种数据的传输。

激光医学在各种科室的应用也非常多。我们现在的三甲医院有一个很重要的硬件条件就是必须设立激光科，没有激光科是不能定为三甲医院的。激光医学对于我们老百姓来说也是一个非常重要的部分。激光眼科可以治疗很多眼科疾病，激光治疗近视眼是当今很多年轻人摘除眼镜的最佳选择（图18）。激光美容是很时髦的一个科室，可以美容，可以治疗一些特殊的疾病，像鲜红斑用普通方法没法治疗，用激光的方法就可以把它治愈。大街小巷都可以看到激光美容的广告。

图18 准分子激光眼科治疗仪。

激光在科学仪器上也有十分广泛的应用。在以物理学、化学、生物学为基础的各种科学研究中，用于诊断、检测的各种仪器中，激光已成为不可或缺的工具；利用激光与物质的相互作用成为了生物、能源、环境、工程科学研究中不可或缺的手段。

激光武器，我们来看看。简单的给大家回顾一下，激光武器就是应用它的单色性、相干性、方向性还有高能量密度。实际上在我们各个军兵种都广泛应用到激光。激光武器有很多特点，它的机动性比较好，灵活性高，指哪打哪，命中率高，不受电磁波干扰，还有它比常规的导弹要廉价的多。“爱国者”导弹每枚是30到50万美元，“毒刺”防空导弹每枚2万美元。现在的全固态激光器一束脉冲激光约合一美元。这是单兵武器与传统的枪，把激光器装在里面。这是以色列的拐弯步枪，它加上了一个激光的瞄准装置，可以在任何一个拐角把激光枪管拐过去瞄准射击。这是我们国产的拐弯步枪。这是坦克，美国的M1A2主战坦克（图19），在中东战争中美军大量使用的一种武器，它装备了很先进的激光探测仪，激光测距仪等等。这是中国的主战坦克，这种坦克主要是出口，里面安装了激光测距仪。美军的“夜莺”战机（图20）装备了激光制导炸弹。我们中国的枭龙战机也装备了激光武器。美国的车载固体激光武器，使用了百兆千瓦的固体激光器，美军1999年就基本完备了所有的试验。这是美国人和以色列人搞的一个机动战术高能激光武器，这是激光的发射装置（图21），这是它的战场示意图。这是美国的车载激光炮，这是它的一个击毁靶机的实验装置，这是它的装置图。这是美军的激光地对空武器，用一台悍马吉普车装载激光武器（图22），机动性很高。这种小型的装置对付导弹、炮弹还有无人机效果特别好。这是我们中国制造的激光制导炮弹。这两种武器也是我们制造的，都是出口型的。

图19 美国的主战坦克，安装了激光测距装备。

图20 美国的夜莺隐形战机，装备了激光制导武器。

图21 美国高能激光武器发射窗。

图22 美国“激光复仇者”系统安装于悍马吉普车上，移动便捷，被视为未来战争中的一种革命性武器。

美国的激光反导系统（ABL）用三百兆千瓦的氧碘激光器安装在C130运输机上（图23），美军策划用7台波音飞机装载ABL系统作为一个战斗群。在此基础上又发展了机载先进战术激光系统（ATL），机载激光器配备了百兆千瓦的激光器，完全有能力对弹道导弹进行干扰和打击。这是美国的激光武器攻击平台。这是舰载激光武器，美国人最近报道在驱逐舰上安装了这种激光武器。自由电子激光器是未来最佳的激光武器候选者，但是它有个缺点就是装置非常庞大。现在的作战武器要求机动性特别高，打了就要跑，不能固定在一个地方，固定在一个地方马上就被别人干掉了。自由电子激光器作为激光武器，最佳的选择就是装在舰艇上，拉着到处跑，一般大型的驱逐舰可以提供自由电子激光器所需的全套供电系统。