1、激光的应用与发展趋势摘 要：激光作为新能源代表，在许多领域都有更广泛应用。本文从激光在当今社会的地位谈起，接着介绍激光在几大领域的应用现状，最后又分析了激光器以及全球激光产业发展趋势。关键词：激光；激光产业；发展趋势1.激光在当今社会的地位激光器的发明是 20 世纪中能与原子能、半导体、计算机相提并论的重大科技成就。自诞生到现在得到了迅速发展，激光光源的出现是人工制造光源历史上的又一次革命。我国激光技术在起步阶段就发展迅速，无论是数量还是质量都和当时国际水平接近。一项创新性技术能够如此迅速地赶上世界先进行列，这在我国近代科技发展史上并不多见。能够将物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件，主
2、要得力于长春光机所多年来在技术光学、精密机械方面的综合能力和坚实基础。一项新技术的开发，没有足够技术支撑很难形成气候 。12.激光的应用现状2.1 激光在自然科学研究上应用2.1.1 非线性光学反应在熟悉的反射、折射、吸收等光现象中，反射光、折射光的强度与入射光的强度成正比，这类现象称为线性光学现象。如果强度除了与入射光强度成正比外，还与入射光强调成二次方、三次方乃至更高的方次，这就属非线性光学效应。这些效应只有在入射光足够大时才表现出来。高功率激光器问世后，人们在激光与物质相互作用过程中观察到非线性光学现象，如频率变换，拉曼频移，自聚焦，布布里渊散射 等。22.1.2 用激光固定原子气态原子
3、、分子处于永不停息运动中（速度接近 340 m/s） ，且不断与其它原子，1分子碰撞，要“捕获”操作它们十分不易。1997 年华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子数冷却到极低温度，使其速度比通常做热运动时降低，达到“捕获”操作的目的。具体做法是，用六路俩俩成对的正交激光束，用三个相互垂直的方向射向同一点，光束始终将原子推向这点，于是约 106 个原子形成的小区，温度在 240 以3下。这样使原子的速度减至 10 m/s 两级。后来又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在约 1s 内从控制区坠落后被捕获。此项技术在光谱学、原子钟、研究量子效应方面有着广阔的应用前景。2.2 激光测
4、距、激光雷达利用激光的高亮度和极好的方向性，做成激光测距仪，激光雷达和激光准直仪。激光测距的原理与声波测距原理类似。激光雷达与激光测距的工作原理相似，只是激光雷达对准的是运动目标或相对运动目标。利用激光雷达又发展了远距离导弹跟踪和激光制导技术，这些在 1991 年海湾战争中都已投入使用。激光制导导弹，头部有四个排成十字形的激光接收器（四象限探测仪） 。四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向飞行；有一个接收器接受的激光少了，它就自动调整方向。另一类激光制导是用激光束照射打击目标，经目标反射的激光被导弹上的接收器收到，引导导弹击中目标。激光准直仪 起到导向作用，例如在矿井坑道的开挖过程中为挖掘机
5、导向。激4光准直仪还被用在安装发动机主轴系统等对方向性要求很高的工作中。2.3 激光在工业应用激光加工代表精密加工装备未来的发展方向，体现着一个国家的生产加工能力、装备水平和竞争能力。目前，激光加工技术在各种仅金属与非金属材料加工中的应用非常广泛。工业激光器目前主要包括 CO2 激光器 、固体激光器、半导体激光器等。这几5种激光器各具优点，如 CO2 激光器的成本最低，固体激光器的光束质量好，半导体激光器的出光效率高。光纤激光器是未来新一代激光技术的发展方向，它具有常规固体激光器所不具备的许多优点。然而激光器服务的机床企业非常谨慎，终端用户对激光器本身的印象远不及对系统那么深刻。2在现代重工业
6、中，如材料切割、焊接、快速成型等过程中，激光技术体现出了优越性。激光可以通过软件来控制轨迹。激光加工属于非接触加工，因此稳定性和寿命都比较好。在当今半导体行业，光科技术已成为半导体工业的“领头羊” 。激光器在线加工已成为不可或缺的一部分。例如激光调阻机可达到产能 70 万只/小时，芯片光刻已实现 65nm 的制程。2.4 激光在医学应用激光在医疗领域有着非常广泛的应用。激光与生物体的作用产生多种效应，如热效应、压力效应、光化效应、电磁效应。有时，这几种效应在作用是同时存在。激光类医疗器材产品被定义为：为了手术、治疗或医疗诊断目的而进行人体照射的那些种类的医疗器材产品。激光医疗设备可分为激光治疗
7、器、激光诊断仪器和激光检测设备。激光美容、激光切除肿瘤、激光眼科手术、激光心肌血管再造等等都得到了迅速发展。在世界激光医疗市场，中国已成为仅次于美国和日本的世界第 3 大激光医疗市场。弱激光对生物组织有刺激、阵痛、消炎、扩张血管等作用，用弱激光照射病灶，有治疗效果。利用弱激光照射穴位。可以产生类似针灸的效果。低强度的He-Ne 激光血管内照射可以治疗脑梗塞、颈椎病、冠心病等缺血性疾病 。6研究表明，紫光激光器对软组织治疗有着很好的疗效，打破了 CO2 激光器最适合治疗这类疾病的常规认识。2.5 激光通信激光通信主要是利用激光的单色性和方向性好的特点。根据传输媒质的不同，激光通信可分为宇宙通信、
8、大气通信、水下通信以及光纤通信。目前在军事领域使用较为广泛的是大气通信。大气激光通信保密性能好，难以截获和干扰。诺 格公司已完成卫星激光通信系统兼容性实验，2007 年进行下一阶段试验，该系统能够为多种用户提供更强的通信能力。民用光纤通信的容量很大，且成本低。目前光纤通信蓬勃发展，已成为重要的民用领域之一。2.6 激光与能源3激光具有高亮度的特点，在能源利用上也有其自身独特的优势。目前，激光与核能的应用紧密相关：一是激光分离同位素，用于核燃料的提纯工作；二是激光核聚变。能源现已成为社会发展中的中的重要问题之一。最理想的能源应是既洁净又取之不竭的核能，这当然是聚变能的利用。据估计，地球海洋中的聚
9、变资源可够人类用 1 千亿年，可以说是取之不尽，用之不竭，同时又不会污染环境的能源。可见，可控聚变核反应是一个非常理想的核能来源，已引起各国科学家的高度重视，但尚未能够做成实用的能源来发电。目前，强激光功率已达到聚变的点火条件。俄罗斯实验物理科研所已成功研制出用于热核反应的新型大功率激光器。该激光器的功率达到了 1015W/cm2，能量达 300 000 J ，可代替实验室条件下的核试验。7用于激光传输不需要介质，因而可作为远距离作用能源。据报道，日本一个研究小组以实验成功用激光驱动机器人。机器人电源一般使用电池，然而在核电站和化学污染严重的场所，对正在作业的机器人更换电池有一定的困难，而用激
10、光驱动十分便利。此外在宇宙空间用激光驱动机器人也比使用电池优越。目前，日本正在进行激光推进技术、跟踪和控制小型车辆的实验研究，进展良好。此外，激光还有许多用途，在军事、科研、文化、国防、公安侦破等领域均有广泛用途。3.激光的发展趋势激光器自问世 30 余年以来，以日新月异的面貌改变着自身的功能，令人瞠目结舌，也令世人刮目相看，接下来再看看激光未来发展走向以及激光产业发展。3.1 激光器发展趋势3.1.1 功率越来越高美国、法国、德国和日本最近已经完成或正在建造拍瓦新装置（1 拍瓦=10 15W） 。这些高功率激光器都有 2 种运转方式：可以断续发射几百焦耳的长脉冲（每个约400fs） ， （1
11、 fs =10 15s） ，或发射不连续的短脉冲（每个约 20fs） ，每个脉冲为几十焦耳。超短超强飞秒激光器可用于激光核聚变实验和高能量密度物理研究，在商用上也有巨大的潜力。飞秒激光器用于光纤通信可扩展通信宽带，到 2010 年通信系统的4传输速率达到 510Tbps。3.1.2 小型化、集成化激光器目前，全球固体激光器市场一派兴旺，半导体激光器迅速增长，二极管泵浦的固体激光器成为新的增长点。据研究表明，激光二极管采用脉冲方式供电可以在相当程度上提高其峰值功率，这将有效推进激光二极管在材料处理中的使用。3.1.3 阵列激光器光通信的迅猛发展极大推动了阵列激光器的出现和进一步发展。据研究表明，
12、阵列激光器非常适合全光互连，采用光子晶体耦合激光器显著提高了出光效率。3.1.4 新波段激光器近年来，中远红外激光器、极紫外激光器等也得到了发展，现已有近千种工作介质，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，光谱范围越来越宽。3.1.5 高效率激光器的出光效率越来越高。新型 YAG 激光器的斜度效率在泵浦功率20W 时约为 81%。3.2 全球激光产业发展趋势世界激光器市场可划分为 3 大区域：美国（包括北美） 、欧洲、日本以及太平洋地区。由于半导体激光器的迅速发展，使二极管泵浦固体激光工业加工设备所占的市场份额越来越大。2002 年全球工业激光系统产值约为 29.9 亿美元，2003 年约为
13、31.11 亿美元，2004 年约为 32.11 亿美元。2006 年用于材料加工的激光器的销售额达到了 17 亿美元。在世界激光市场上，日本在光电子技术方面处于领先地位，约占50%的份额。追踪世界激光产业发展，可看出其中包含的几点趋势：在激光源方面，半导体激光器和半导体泵浦固体激光器将成为未来的主导；激光技术对产品投入产出比和技术基础的优化作用更加明显，融合在产品与服务中的技术含量越来越高；激光技术与众多新兴学科技术相结合，更加贴近人们的日常生活；激光产业界并购盛行，各公司力争成为产业巨头。53.3 我国激光产业现状及存在主要问题我国激光产业具有很好的发展前景和潜力。近年来，中国激光市场呈现
14、出稳定、高速增长的态势。1999 年和 2005 年，中国激光产品市场销售额分别为 14.13 亿和47.75 亿人民币 。在行业迅猛发展的同时，我们也该认识到我国激光产业起步晚、8基础薄弱，与世界领先国家的差距还很大。例如，与先进国家的激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的 2%左右。主要体现在：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光不过关；激光微细加工装备缺口较大 。9目前，存在的主要问题有：（1）核心技术少很多关键性基础性技术没有解决好，甚至某些技术还有退步。目前，国内激光产业的核心技术大多来自于进口，产品竞争力不足。（2）产研结合欠佳我国的激光学术研究方面仍处
15、于世界领先地位，但产业却非常落后，其中知识产权和专利成果保护不力，很多先进的激光技术没有转换成产业应用。另外，学术的开放性不够，由于担心技术流失，导致创新效率低下。（3）创新能力不足，配套能力较差系统的配套能力不高，创新能力不足，大多是传统结构类型。现有的产业大多是光机电算综合的产业，而国产激光器和其他行业的结合很不好，智能化、自动化程度太低，增加了用户使用的困难。（4）从技术管理上看，缺少良好的评价系统缺少国家标准，评价体系“当量”折算不当，华而不实。现有的评价体系是一种自我循环，导致激光产品的质量监督不够，这些都不利于激光产业的发展。4. 结束语激光在当今世界应用领域越来越广泛，通过对当今
16、不同激光产业现状的了解，对激光以及激光产业发展趋势的把握，有助于我国在激光这一新技术方面处于前列。更好的为经济服务，是我国经济有更大的发展空间。参考文献1 范滇元激光技术 M北京:高等教育出版社，2002，11812062 倪光炯改变世界的物理学M复旦大学出版社，200，1391453 杨贵铣激光与光电子学进展M苏州大学出版社，2008，6：1171194 孟红云激光世界 J辽宁教育行政学院学报 1999，19：145 张玉川国内外激光医疗仪器的新发展J2002，1171196 罗云激光与光电子进展J2004，41(1) ：12-147 江云发激光与光电子M北京:高等教育出版社2004，12：22238 方东杰世界物理学 M浙江大学出版社 1998，23489 王涣激光与光电子学进展M人民教育出版社 2009，43，89
