激光的发展历程及应用

南京理工大学

研究生研究型课程考试

课程名称： 现代物理学导论 考试形式：□专题研究报告 √论文 □大作业 □综合考试

学生姓名：

王慧 学号： 512011424

评阅人： 王清华时 间：2013年6 月

激光的发展历程及应用

王 慧

（南京理工大学 机械工程学院 南京 210094）

摘要：自1960年第一台激光器发明以来，经过儿十年的发展，激光技术的研究取得了飞越性的发展并广泛应用于人们生活的各个领域。本文主要介绍了激光的应用领域以及一此处于研究前沿领域的技术。

关键词：激光发展；激光历史；激光应用

The Development and Application Prospects Of Laser Technology

Abstract：Since the advent of the first optical maser, there has been several dacades. In the short years laser technology has made transilient progress and has applied to in many affairs civil use. The article is about the application of laser technology which is under application and advancing front of study.

Key words：Laser Development; Laser history; Laser Applications 一．引言 大理论,由这个理论所预见的粒子数反转体

自1960年7月梅曼发明了世界上第一系对入射电磁场产生受激放大作用的可能台红宝石激光器以来，经过四十多年的发性,首先在无线电电子学的微波技术领域内展，人们在激光的研究上突破了许多技术难得以实现。1954年,氮分子气体微波量子放题并取得了相当的成就。激光被发明以来，大器诞生。微波量子放大器技术的出现和进以其方向性强、单色性好、高亮度和高度的展。促进人们在光频波段的探索。1957年9时空相干性引起了科学家们特别是军事家月,美国的c.H.Townes第一次提出光频受激们的广泛关注，经过科学家们的不懈努力，辐射放大设想,同每11月,美国的R.G.Gould今天的激光仪器无论是从工作原理、实验手独立提出光频受激辐射放大构思并提出证段，还是制造工艺都已逐步成熟。激光日益据公证。继而许多人提出了各种激光器 受到各大军事强国的重视，并有望成为未来建议.1960年5月」.5日第一台红宝石激光军事技术发展中最活跃的一个领域之一。迄器〔69招A。)由美国人T.H.Maiman研制成今为止，激光在军事领域已经广泛应用于定功至此,激光技术就以科学史上罕见的高速向能武器、航空航天、侦察与反侦察、制导、度向前发展着,激光理论和激光应用也很快通信等诸多领域，大大提高了军队在高技术开拓。 战争条件下的打击与防御能力。同时，激光在理论研究方面.激光技术的出现极大的军转民技术也得到了很大的发展。 地促进了光辐射理论的发展。激光以前所有 各类光源的发光纂本上属于自发辐射机制.二．激光的发展历程 光辐射与物质的作用属于弱光与物质的相 早在1917年,爱因斯坦在光量子假设基互作用,其辐射理论属于有关弱光辐射的产础上,提出了光的两种不同性质的辐射—自生机理,基本性质及其与物质相互作用的理发辐射和受激辐射.从理论上预言了存在受论,经其描述的特点是麦克斯韦方程组中介激辐射光的可能性。1928年,德国的质电极化强度矢量与辐射场的场强矢量成R.Ladenburg,H.Kopferman用实验证明了受线性关系,而量子描述的特点是在进行量子激辐射假设成立。到本世纪五十年代,实验上力学处理l对.往往只取一级微扰近似。激光验证了粒子数反转现象,并提出爱激辐射放 的发光机制是基于粒子数反转体系的受激

发射.在发谐振腔内由于感应辐射的连锁反应.雪崩似的获得放大效果而产生强烈的光辐射,有关强光辐射的产生机制,基本性质及其与物质相互作用的理论得到了重大发展.这些新理论的经典描述特点是介质电极化强度矢量与辐射场的场强矢量成非线性点系,而量子化描述的特点是在进行量子力学处理时往往要取二级或更高级的微扰近似,从1963年建立了激光器的半经典理论,到七十年代,有关激光的三种基本理论—经典,半经典和量子理论,都已基本形成。量子电动力学是整个激光物理学的严格的理论基础,但在处理具体问题时.往往不都是采用这种理论的全部观点和全套处理方法,而是根据所要讨论的激光物理现象属性特点的不同.而采用不同的理论处理方法。在讨论有关光学谐振腔和激光传输问题时,一般采用经典描述方法;半经典描述方法能反映与场的波性有关现象的规律性;全量子描述方法不但能成功地解释有关光的发射,吸收,散射等大部分涉及到光与物质相互作用现象的规律,而且在原则上同洋能以统一的观点去解释与光的传播特性(干涉、衍射等)有关现象的规律性,但有时在数学处理上过于繁杂,基本量子电动力学的基本观点或基本结果,还可派生出一些专门的课题理论,如光子统计学理论和速率方程理论。

在技术应用激光有着广泛的市场,如工业上的材料加工处理(包括退火、制作合金、淬火和材料切割等)、’光通讯、测距、计量标准、医疗技术的新工具、太阳能人造卫星的能量聚束、控制核聚变、同位素分离、激光打印机、激光复印机,农业上用激光辐照种子和植株提高产量从及军事上的激光武器、目标照明、空间通风系统等等,不同的应用领域对激光技术有不同的要求,促进了激古器技术的不断发展。从1960年第一台激光黔,,J世以来,各种激光器新器件如雨后春笋。1960年未研制成了HeNe混合气体连续激光器,]961年提出了Q调制皮术,同年夏天在实验上以克尔盒作为Q开关,制成了第一台调Q激光器,这一年还制成了诗玻璃激光器,1962年,美国三个研空小组几乎同时分别公布了关于砷化稼半导体激光器传的报

导,1964年研制成了氢离子激光器,二氧化碳激光器、化学激光器,碘原子激光器乃掺钦的忆铝石榴石激光器,1965’激光器,1965年实现了妮酸铿光学参量振荡器,同年,人们招叻半经典理论预言了锁模疚的存在,1966年研制成功固体锁模激光器,获得了超矩激光脉冲.同年还研制成染料激光器,铜蒸汽激光器。60年代获得高功率的方法是制作由漫布式横向政电和纵向放电所激励的很长的气体放电激光器,所有这类装置都有一个热量如何散逸的问题。1967年.航空公司的Arthur Kantrowitz及其同事在这方面有重大突破,靠不断流动的气休进行热散逸,1968年这种激光器功率增大到135千瓦。

70年代,TRw公司制造了400千瓦的氟化氖(DF)化学激光器,以及后来的2.2兆瓦DF激光器,这一时期研制出的多种放电激光器包括金属蒸汽激光器,横向激励的大气压激光器(TEA)及准分子激光器。1974年美国联合公司运转了第一台紫翠宝石连续波激光器。1975年美国的J.Madey研制成功第一台将CO2激光束放大的白由激光器。1977年美国的D.A.G.Deacon研制的自由电子激光器问世。80年代.大功率激光器的主要推动力是在自适应光学系统方而,与空间平台相适应的泵浦源方面及短波长激光器方面,如准分子激光器和自由电子激光器以及198d年10月普林期顿大学和里弗莫尔实验室分别报导的x射线激光器。这一时期Itt界各国还建立起一些大型的激光装置。

1985美国里弗莫尔建成巨型诺瓦装置,可提供1.06um×1000KJ、l00Tw和0.35um×25KJ激光辐射,满载时0.35um三倍频能量为50~8OKJ.激光脉宽1.5~3ns;洛斯阿拉莫斯建成96路KrF准分子激光系统,脉冲能量10KJ,脉宽5Ps;罗彻斯特大学建成24束欧米加钦玻璃激光装置,正准备改成32束,能量约10KJ,用0.35um三倍频波长,它将成为美国直接驱动聚变的主要实验设施;由TRW‘公司承建的HF化学激光一器.发射波长2.7um,功率2Mw,满载功率10Mw,是目前定向能武器中最成熟的装置.处二于试验阶段、另一台DF连续波中红外先进化学激光器,发射波长3.8um,功率大于IMW.光束孔径14×14CM,

它将用于定向能武器的光束“净化”实验中功率准分子喇曼频移激光器.波长0.35um.Ps脉宽,重复频率100Hz,平均功率大于5000w。

化学、染料、半导体等各种激光器,分立激光

谱线有几千条,波长复盖从真空紫外到毫米波,长波一端已与微波波段重迭,短波一端正苏联的高能激光武器,到80年代未,建立了六个以上的大型研制工厂和试验场,用于武器的激光器有准分子激光器、HF/DF激光器、自由电子激光器、CO2激光器、X射线和Y射线激光器,水下通讯用兰—绿激光器。

西欧各国在尤里卡计划中的欧洲激光计划协调下,联合协作.促进了激光业的兴旺发达。该计划的主要项目是研究与开发工业用10~IOOKwco:激光器,1一SKw固体激光器,IOKw准分子激光器.SKwCo激光器,自由电子激光器及其它医用与工业用激光系统。英国的卢瑟福.阿普尔顿实验室建成世界上第一个运转的多束短波长高功率激光器-一“火神”装置,1980年起单路打靶和6路对称打靶系统投入运转,该装置被用来进行激光等离子体基础研究和x射线激光研究。

到80年代,我国研制成功的激光器几乎复盖了已问世的所有固体、气体、液体、半导体激光器的族谱。1985年我国研制的Pbsnse等系列半导体可调谐激光器,用于分子法激光分离同位素。我国中科院上海光机所于1987年6月建成1俨w大型高功率激光系统—“神光”装置,为开展激光核聚变研究奠定了坚实的基础,使我国成为世界上拥有这种大型激光装置的少数几个国家之一,对促进x射线激光、激光等离子体物理、武器物理、激光将作出重要贡献。

日本在1978年通产省设立“超高性能激光应用复合生产系统”,1985年设立“激光机动加工”等大型项目,仅几年时间,便使日本激光加工进入世界先进行列。在激光同位素分离方面,1987年成立‘旧本激光原子法分离工程研究协会”,为政府与工业界联合投资大大加快了激光原子法的进程。80年代起,日本开始重视基础研究,对激光核聚变进行了大量投资,大阪大学激光核聚变中心的整套设备由日电承包,从1980年起开始一个为期十年的“金刚计划”,最终目标要达到得失相当,为设计实用反应堆作前期准备工作。

到80年代,已经有了固体、气体、液体、

向硬x辐射和丫辐射进军,染料、色心、铅盐和可调谐晶体提供了可见、近红外、红外波段的可调谐性,脉冲输出工率密度超牲1019W/CM2,最短光脉冲达6×10-15sec。

激光发展的主要方向是更广泛,更有效地应用到科学、技术、生产和生活中去,继续提高激光器件的性能是关键。可以预料,大量工艺问题的解决将大大促进激光科学技术的进步,激光与信息科学技术的密切相关是一个不可避免的大趋势,光电子学会成为影响很大的科学,弱光场下材料的非线性光学、低功率水平下光电功能器件的研究与开发值得加倍注意。重量轻、尺寸大、响应快的自适应光学系统将有宽广的应用前景。

三．激光的应用

激光的应用主要是利用激光方向性

强、单色性好、高亮度和高度的时空相干性 的特点而被科学家们看好。在军事领域，激 光可以用于实施常规打击，航空航天中的 点火推进控制燃烧,侦察与反侦察，精确制 导，保密通信和飞行器姿态定位等，而这些 激光应用的军转民成果在民用领域也必将 有着广泛的应用前景。下面我们以激光在 军事领域的应用为主并有针对地介绍一些 激光军事应用技术的军转民成果和研究方 向。

1.激光武器

说起激光在军事领域的应用，人们都无一例外地想到将激光用作定向能武器，即将激光束直接摧毁目标或使之失效的武器。现在的激光武器主要由激光器、精密瞄准跟踪系统和光束控制与发射系统等部分组成。激光武器以其攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点备受军事家们的青睐。根据作战用途的不同，可将激光武器分为战术激光武器和战略激光武器。战术激光武器是利用激光作为能量，发出很强的激光束来打击敌人。这种武器能够像常规武器那样直接杀伤敌方人员、使某些光电测量仪器的光敏元件收到损坏甚至失效、击毁

坦克、飞机等，主要代表有激光枪和激光炮。战略激光武器是指可攻击数千公里之外的洲际导弹、太空中的侦察卫星和通信卫星等的高能激光武器。在1975年11月，美国的两颗监视导弹发射井的侦察卫星在飞抵西伯利亚上空时，被前苏联的“反卫星”陆基激光武器击中，并变成“瞎子”；此外，在著名的英－阿马岛战争中英国就曾经使用激光武器对付阿根廷飞机而导致机毁人亡。役甚至战略目标,攻击的目标包括通信线路和电子线路、天线、传感器以及地面的飞机和车辆等。因此,在城市或郊区环境中执行军事行动时,ATL可在不伤害非作战人员和不破坏民用设施的情况下,迅速使敌方武器系统迅速失效或被摧毁,并且可以最大限度地避免平民伤亡。由于距离目标足够远,所以ATL行动是隐蔽的,且激光光束没有声音,在防区外几公里处相当远的距离上,不会遭受由此，我们不难看出高能激光武器有望成为未来高科技战争中夺取空间优势的杀手锏武器。但是，目前的高能激光武器的一些关键技术尚未发展成熟，还存在许多有待进一步研究解决的问题，例如，大气介质对激光能量的衰减，大气引起的激光光束的漂移等等。目前，美、俄、英、以色列等国已研制出初步的车载和机载激光武器，并且有望与不久的将来应用于战术防空、战区反导和反卫星作战。

ATL是小型模块化高能激光武器系统的一个新概念,其发展理念是开发在云层下作战的战术激光武器系统。它拟采用诺斯罗普#格鲁曼公司为ABL计划研制的300kW高能氧碘化学激光器(COIL),该激光器利用过氧化氢、氧和碘的化学反应产生激光,而且加注后可重复使用。将其安装在机动的战术平台上,形成独立的武器系统。ATL系统质量预计在4 536kg~6 804kg之间。值得指出的是,尽管ATL样机还未研制出来,但该系统采用的各部件目前均为现成产品,且大部分可通过商业途径购买,所以一旦批准全面开发ATL系统,主要工作将是把各部件集成为系统并安装到承载平台上。

机载战术激光武器可用作致命武器和非致命武器,其首要任务用于超精确打击,以很小或者是无附带破坏迅速摧毁目标或使地面目标失效,同时它们也很容易被改装用于防御敌方掠海反舰导弹和低空巡航导弹,该系统将具有多种用途。

（1）软杀伤激光武器

在美国国防部的研究报告中强调了超精确打击,它指利用ATL在城市对地面目标实施外科手术式的打击,以最小的附带破坏使目标失效或被摧毁。可对付敌方战术、战

轻武器或防空导弹的直接攻击。

（2）硬杀伤激光武器

机载战术激光武器在与敌方掠海反舰导弹和低空巡航导弹等目标交战时,它处于运动状态,这样可以大大提高产生热晕的阈值,因而可以减小热晕的影响。同时ATL在距水面和地面足够高的位置作战,所以水蒸汽和地表的杂波对其构不成直接影响。ATL作用距离约为20km,系统反应时间能保证应付速度为Ma=2的目标,因此可在数十秒内与多枚反舰导弹和巡航导弹交战,并在防区外准确地把直径10cm的激光光斑打在这些活动目标上,能连续发射100次而不需重新装填激光燃料,可有效对付8km~24km范围内的各种空中威胁。

机载战术激光武器由一架装载着高能激光器的战术飞行器组成,其首选的空中平台为波音公司生产的鱼鹰倾转旋翼机V-22。ATL系统包括高能激光器、侦察传感器、飞行平台和地面支援设施。美国波音公司选择鱼鹰倾转旋翼机V-22作为主要设计研究平台是因为V-22有足够的载重量和内部空间,并可在航空母舰上起降。此外,它装有后启式舱门和可向下打开的机舱和货钩,这使得ATL整套系统可做成一个集装箱的形状,轻松装进V-22的货舱中。目前设计方案拟将ATL的全部设备装在4个空投运货底座上。第1个底座装在V-22底舱口上,包括侦察传感器和支架,传感器装在一个可旋转的小型转塔上,起飞后转塔伸出舱外;第2个底座包括操纵员工作间和电子设备;第3个底座为激光器装置,它装在主底舱口最大的转塔上,在起飞降落时收入舱内;第4个底座包括激光废气处理器和其它供应箱。此外还可选择大型直升机如波音CH-47、小型运输机如洛

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