物理激光空間技術論文

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激光與空間技術胡海棠國家科委信息司原常務副司長研究員——一、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，需借助外來光的力量，使大量原來處于低能級的粒子躍遷到高能級上去，這個過程我們稱之為“激勵”。——我們通常所說的激光器，就是使光源中的粒子受到激勵而產生受激輻射躍遷，實現粒子數反轉，然后通過受激輻射而產生光的放大的裝置。激光器雖然多種多樣，但使命都是通過激勵和受激輻射而獲得激光。因此基本組成通常均由激活介質（即被激勵后能產生粒子數反轉的工作物質）、激勵裝置（即能使激活介質發生粒子數反轉的能源，泵浦源）和光諧振腔（即能使光束在其中反復振蕩和被多次放大的兩塊平面反射鏡）等三個部分組成（圖8-2）。——經過30余年的發展，各國開發出實用的激光器已超過200種。種類繁多，特點各異，用途也各不相同。激光器有各種不同的分類方法：按工作物質來分有氣體、玻璃、晶體、液體、半導體、準分子等激光器，還有化學激光器（靠化學反應而形成受激狀態）和自由電子激光器等；按波長來分，覆蓋的波長范圍包括遠紅外、紅外、可見光、紫外直到遠紫外，最近還研制出X射線激光器和正在開發的γ射線光器；按激勵方式不同，有光激勵（光源或紫外光激勵）、氣體放電激勵、化學反應激勵、核反應激勵等；按輸出方式不同，有連續的、單脈沖的、連續脈沖的和超短脈沖的，等等；從功率輸出的大小來看，其中連續的輸出功率小至微瓦級，最大可達兆瓦級；脈沖輸出的能量可從微焦耳至10萬以上焦耳，脈沖寬度由毫秒級到皮秒級乃至飛秒級（1000萬億分之一）。——上述各式各樣激光器的出現，主要是為了滿足不同的應用目的。如激光加工和某些軍用激光都要求高功率激光或高能量激光（即所謂強激光）。有的希望脈沖的時間盡量縮短，以從事某些特快過程的研究。有的還對提高光的單色性、改善輸出光的模式、改善光斑的光強分布以及要求波長可調等提出了很高的要求，從而使激光器的探索深度和應用廣度得到前所未有的發展。激光器的應用已滲透到各個領域，正在奇跡般地改變著我們的世界。——（三）蓬勃發展的激光應用——激光不僅是20世紀內人類最重大的發明之一，而且激光技術的應用已廣泛深入到工業、農業、軍事、醫學乃至社會的各個方面，對人類社會的進步正在起著越來越重要的作用。——1、激光在信息領域的應用——半導體激光器和光纖放大器是光纖通信的兩項關鍵技術。半導體激光器發出的激光不僅單色性和相干性好，而且光波頻率比微波頻率又高萬倍，故以激光為傳遞信息的載體，用光纖做信息傳遞線路的光纖通信，不僅通信質量好、抗干擾能力強、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上萬倍。一根比頭發絲還細的光纖，就可以同時傳輸上萬路電話或成千路電視節目，從而使通信真正成為通向千家萬戶的網絡新時代。——利用激光技術進行光存儲，使信息的存儲發生了革命性的飛躍。一張CD聲頻光盤的記錄密度相當于1000萬比特／厘米2，可記錄78分鐘的音樂節目，比密紋唱片要大好幾個數量級。一張計算機用的盤徑為5英寸的CD-ROM，容量可達650兆比特。一張LD（激光錄像盤），或者近幾年最熱門的VCD（激光視盤，谷稱小影碟），以及繼VCD之后的新一代視盤DVD（數字視盤），其視像蘊含的信號量比CD又要高千倍，可記錄100分鐘的清晰度很高的影視節目。CD、VCD和LD不僅已在放像設備市場占有相當大的份額，而且還可以在配有激光驅動器的計算機上播放。——此外，激光打印機、激光傳真機、激光照排、激光大屏幕彩色電視、光纖有線電視以及大氣激光通訊等均已得到廣泛應用。——2、激光在全息術領域的應用——光作為一種波動現象，表征它的物理量有波長（同顏色有關）、振幅（同光的強弱有關）和位相（表示波動起點同基準時間的關系）。人們利用感光的照相方法，只能記錄下波長和振幅，所以無論照得多么逼真，看照片和看真的景物總是不一樣。而激光具有高相干性，能獲取干涉波空間包括相位在內的全部信息。因此，采用激光進行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通過光的衍射，就能復現被攝取物體栩栩如生的立體形象。時至今日，在全息照相的基礎上，還進一步發展了全息干涉術、彩色全息及彩虹全息和周視全息等新的全息技術。——全息照相具有三維成像的特點，可重復記錄，而且每一小塊全息底片都能再現物體的完整立體形象，其用途十分廣泛。可廣泛用于精密干涉計量、無損探傷、全息光彈性、微應變分析和振動分析等科學研究。利用全息干涉術研究燃氣燃燒過程、機械件的振動模式、蜂窩板結構的粘結質量和汽車輪胎皮下缺陷檢查等已得到廣泛應用。全息照相用作商品和信用卡的防偽標記已形成產業，用全息照相拍攝珍貴藝術品，不僅欣賞起來令人如臨其境，而且為藝術品的修復提供了可靠而逼真的依據。正在發展的全息電視還將為人們增添一種新的生活享受。——二、空間技術——（一）什么是空間技術——空間技術，顧名思義就是探索、開發和利用宇宙空間的技術。現階段，空間技術又稱航天技術。但對“天”目前專家們有兩種理解：一是把地球大氣層以外的無限遙遠空間稱之為“天”；另一是把地球大氣層外、太陽系以內的有限空間叫做“天”。若按前一種理解，空間技術和航天技術完全是一回事；若按后一種理解，人們把地球大氣層以外、太陽系以內的空間活動稱之為航天，超出太陽系以外的空間活動稱之為航宇。這樣，空間技術則應涵蓋航天技術和航宇技術。但由于在相當長的時間內，人類主要還是在太陽系內從事活動，因此，當今把航天技術和空間技術視為同義詞已得到公認。——我國的航天專家將空間技術的主要特點概括為兩個方面：首先空間技術是一門高度綜合性的科學技術，是很多現代科學和技術成就的綜合集成。它主要依賴于電子技術、自動化技術、遙感技術和計算機技術等眾多先進技術的發展。因此，一個國家空間技術的成就，最能體現其科學技術的水平，是衡量其科技實力的重要標志。其次，空間技術是一門快速的、大范圍的、在宏觀尺度上最能發揮作用的科學技術。比如，通信衛星可以大面積覆蓋地面以至全球；氣象衛星可以進行全球天氣預報；偵察衛星可以及時監視廣大地區的軍事活動等等。——空間技術區別于一般常規技術的這兩大特點，使其對一個國愛的實力和進步起到意想不到的戰略性作用：在經濟上能產生很高的經濟和社會效益，普遍認為，開發利用外層空間資源，其投資效益能達到1∶10以上；在軍事上最能顯示一個國家的軍事實力，一個國家只要占有空間優勢，就掌握了軍事戰略上的主動權；在政治上對提高一個國家在國際活動中的地位影響深遠。一項重大空間成就，往往成為國際談判的重大籌碼；在科學技術上還能帶動電子、自動化、遙感、生物等學科的發展，并形成包括衛星氣象學、衛星海洋學、空間生物學和空間材料工藝學等一群新的邊緣科學。——（二）空間技術的重大成就——空間技術的開創和發展是人類開拓宇宙空間的壯麗事業。空間技術自50年代崛起以來，以其輝煌的成就對國際政治、軍事產生的影響和對人類經濟、文明作出的貢獻舉世矚目。幾十年來，空間技術取得了重大的成就，其中各類衛星大顯神通。