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行业视角 | 一文读懂激光原理及应用

博顿导读

说起当今世界热门的研究领域,激光无疑是其中之一。或许大多数人对激光的印象仅停留在光束,炫丽的色彩等层次方面,但激光的世界绝不止想象的那么单调贫乏,接下来请跟进博顿君的脚步,一起领略激光的魅力吧。

什么是激光

激光是一种激光器材受到电极力的作用发射出来的一种光,,由于频率、振动方向、相位高度一致,所以被称为相干光,具有定向发光、亮度极高、颜色极纯、能量密度极大的特点。激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后,人类的又一重大发现,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。

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激光的原理

原子受激辐射的光,故名“激光”:原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级的时候,所释放的能量以光子的形式放出。光与物质的相互作用,实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子,同时改变自身运动状况的表现。被引诱(激发)出来的光子束(激光),其中的光子光学特性高度一致。这使得激光比起普通光源,激光的单色性好,亮度高,方向性好。

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激光的发现及发展背景

1917年,爱因斯坦从理论上指出:除自发辐射外,处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为 ν=(E2-E1)/h的光子入射时,也会引发粒子以一定的概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这个过程称为受激辐射。

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在此之后人们很长时间都在猜测,这个现象可否被用来加强光场,因为前提是介质必须存在着群数反转(或译居量反转) 的状态。

1958年,美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象:当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象,他们提出了"激光原理",即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时,都会产生这种不发散的强光--激光。

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1960年5月16日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

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在1980年代后期,半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能,这些在小功率的CD和DVD光驱和光纤数据线中得到使用。

在1990年代,高功率的激光激发原理得到实现,比如片状激光和纤维激光。后者由于新的加工技术和20kW的高功率不断地被应用到材料加工领域中,从而部分的替代了CO2激光和Nd:YAG-激光。

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2000年代,激光的非线性得到利用,来制造X射线脉冲(来跟踪原子内部的过程);另一方面,蓝光和紫外线激光二极管已经开始进入市场。

在2009年,中国研制出一种名为氟代硼铍酸钾(KBBF)的晶体,可用于激发深紫外线激光,一旦成功应用,可令每片光盘的容量超过1TB,亦使半导体上可存储的电路密度大幅提高。

现在,激光器已成为工业,通讯,科学及电子娱乐中的重要设备。

激光技术的应用

激光的应用,按照激光探头是否与激光作用的物质接触,分为接触式和非接触式两种工作模式。激光应用的领域,主要有工业、医疗、商业、科研、信息和军事六个领域。工业应用中,主要有材料加工和测量控制;医疗应用,有治疗和诊断。

加工技术:包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源,识别物体等的一门技术,传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术,传统上看,它的研究范围一般可分为:加工系统包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。

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加工工艺:激光焊接、激光切割、激光打标、激光打孔、激光热处理、激光快速成型、激光涂敷。

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生物应用:2014年6月,美国科学家,开发出了可以快速控制果蝇思想的激光系统。系统名为蝇类思维转换装置,系统通过摄像头追踪有限空间内若干果蝇的动作,研究人员通过向果蝇发射特殊调谐激光,可以触发果蝇大脑内与光热有关的神经通路。

博顿新型离子源产品系列可面向多行业领域,其中包括激光产业,提供纳米级别超高精度多层镀膜等高端微纳加工应用。激光技术的飞速发展为诸多行业应用铺平了道路,它的未来在哪儿?也许只有到未来才可知晓,把握时代机遇,让我们拭目以待!

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