激光與空間技術

激光與空間技術

激光技術 ——（一）什么是激光與激光技術 ——激光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發出的具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。物理學家把產生激光的機理溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時提出的假說，即光的吸收和發射可經由受激吸收、受激輻射和自發輻射三種基本過程。眾所周知，任何一種光源的發光都與其物質內部粒子的運動狀態有關。當處于低能級上的粒子（原子、分子或離子）吸收了適當頻率外來能量（光）被激發而躍遷到相應的高能級上（受激吸收）后，總是力圖躍遷到較低的能級去，同時將多余的能量以光子形式釋放出來。如果光是在沒有外來光子作用下自發地釋放出來的（自發輻射），此時被釋放的光即為普通的光（如電燈、霓虹燈等），其特點是光的頻率大小、方向和步調都很不一致。但如果是在外來光子直接作用下由高能級向低能級躍遷時將多余的能量以光子形式釋放出來（受激輻射），被釋放的光子則與外來的入射光子在頻率、位相、傳播方向等方面完全一致，這就意味著外來光得到了加強，我們稱之為光放大。顯然，如果通過受激吸收，使處于高能級的粒子數比處于低能級的越多（粒子數反轉），這種光的放大現象就越明顯，這時就有可能形成激光了。 ——激光之所以被譽為神奇的光，是因為它有普通光所完全不具備的四大特性。 ——1.方向性好 ——普通光源（太陽、白熾燈或熒光燈）向四面八方發光，而激光的發光方向可以限制在小于幾個毫弧度立體角內（圖8-9），這就使得在照射方向上的照度提高千萬倍。激光準直、導向和測距就是利用方向性好這一特性。 ——2.亮度高 ——激光是當代最亮的光源，只有氫彈爆炸瞬間強烈的閃光才能與它相比擬。太陽光亮度大約是103瓦／（厘米2.球面度），而一臺大功率激光器的輸出光亮度經太陽光高出7～14個數量級。這樣，盡管激光的總能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小點處產生高壓和幾萬攝氏度甚至幾百萬攝氏度高溫。激光打孔、切割、焊接和激光外科手術就是利用了這一特性。 ——3.單色性好 ——光是一種電磁波。光的顏色取決于它的波長。普通光源發出的光通常包含著各種波長，是各種顏色光的混合。太陽光包含紅、登、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的可見光及紅外光、紫外光等不可見光。而某種激光的波長，只集中在十分窄的光譜波段或頻率范圍內。如氦氖激光的波長為632.8納米，其波長變化范圍不到萬分之一納米。由于激光的單色性好，為精密度儀器測量和激勵某些化學反應等科學實驗提供了極為有利的手段。 ——4.相干性好 ——干涉是波動現象的一種屬性。基于激光具有高方向性和高單色性的特性，它必然相干性極好。激光的這一特性使全息照相成為現實。 ——所謂激光技術，就是探索開發各種產生激光的方法以及探索應用激光的這些特性為人類造福的技術的總稱。自1960年美國研制成功世界上第一臺紅寶石激光器，我國也于1961年研制成功國產首臺紅寶石激光器以來，激光技術被認為是20世紀繼量子物理學、無線電技術、原子能技術、半導體技術、電子計算機技術之后的又一重大科學技術新成就。30多年來，激光技術得到突飛猛進的發展，不僅研制了各個特色的多種多樣的激光器，而且激光應用領域不斷拓展，并形成了激光唱盤唱機、激光醫療、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新興產業。激光技術的飛速發展，使其成為當今新技術革命的“帶頭技術”之一。 ——（二）各式各樣的激光器 ——在光源中，實現能級粒子數反轉是實現光放大的前提，也就是產生激光的先決條件。要實現粒子數反轉，需

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