激光與空間技術(shù)論文講解

1、激光與空間技術(shù)論文一、激光技術(shù) （ 一） 什么是激光與激光技術(shù)激光，是一種自然界原本不存在的， 因受激而發(fā)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(xué)家把產(chǎn)生激光的機(jī)理溯源到 1917 年愛(ài)因斯坦解釋黑體輻射定律時(shí)提出的假 說(shuō)，即光的吸收和發(fā)射可經(jīng)由受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射三種基本過(guò)程。 眾所周知，任何一種光源的發(fā)光都與其物質(zhì)內(nèi)部粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)處于 低能級(jí)上的粒子 （原子、分子或離子 ） 吸收了適當(dāng)頻率外來(lái)能量 （ 光）被一、激光技術(shù)（ 一） 什么是激光與激光技術(shù) 激光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發(fā)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

2、。物理學(xué)家把產(chǎn)生激光的機(jī)理溯源到 1917年愛(ài)因斯坦解釋黑體輻射定律時(shí)提出的假說(shuō)，即光的吸收和發(fā)射可經(jīng)由受 激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射三種基本過(guò)程。眾所周知，任何一種光源的發(fā)光 都與其物質(zhì)內(nèi)部粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)處于低能級(jí)上的粒子 （ 原子、分子或離 子）吸收了適當(dāng)頻率外來(lái)能量 （光）被激發(fā)而躍遷到相應(yīng)的高能級(jí)上 （受激吸收 ） 后，總是力圖躍遷到較低的能級(jí)去，同時(shí)將多余的能量以光子形式釋放出來(lái)。 如果光是在沒(méi)有外來(lái)光子作用下自發(fā)地釋放出來(lái)的 （自發(fā)輻射 ） ，此時(shí)被釋放的 光即為普通的光 （如電燈、霓虹燈等 ） ，其特點(diǎn)是光的頻率大小、方向和步調(diào)都 很不一致。但如果是在外來(lái)光子直接作用下由

3、高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)將多余的 能量以光子形式釋放出來(lái) （受激輻射 ） ，被釋放的光子則與外來(lái)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(lái)光得到了加強(qiáng)，我們稱 之為光放大。顯然，如果通過(guò)受激吸收，使處于高能級(jí)的粒子數(shù)比處于低能級(jí) 的越多（粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ） ，這種光的放大現(xiàn)象就越明顯，這時(shí)就有可能形成激光 了。激光之所以被譽(yù)為神奇的光，是因?yàn)樗衅胀ü馑耆痪邆涞乃拇筇?性。1. 方向性好普通光源 （ 太陽(yáng)、白熾燈或熒光燈 ） 向四面八方發(fā)光，而 激光的發(fā)光方向可以限制在小于幾個(gè)毫弧度立體角內(nèi) （圖 8-9） ，這就使得在照 射方向上的照度提高千萬(wàn)倍。激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測(cè)距就是利

4、用方向性好這一特 性。2. 亮度高激光是當(dāng)代最亮的光源，只有氫彈爆炸瞬間強(qiáng)烈的閃光才 能與它相比擬。太陽(yáng)光亮度大約是 103瓦（厘米 2.球面度） ，而一臺(tái)大功率激 光器的輸出光亮度經(jīng)太陽(yáng)光高出 714個(gè)數(shù)量級(jí)。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(diǎn)處產(chǎn)生高壓和幾萬(wàn)攝 氏度甚至幾百萬(wàn)攝氏度高溫。激光打孔、切割、焊接和激光外科手術(shù)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(zhǎng)。普通光源 發(fā)出的光通常包含著各種波長(zhǎng)，是各種顏色光的混合。太陽(yáng)光包含紅、登、 黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的可見(jiàn)光及 紅外 光、紫外光等不可見(jiàn)光。而某種 激光

5、的波長(zhǎng)，只集中在十分窄的光譜波段或頻率范圍內(nèi)。如氦氖激光的波長(zhǎng)為 632.8 納米，其波長(zhǎng)變化范圍不到萬(wàn)分之一納米。由于激光的單色性好，為精 密度儀器測(cè)量和激勵(lì)某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了極為有利的手段。4. 相干性好干涉是波動(dòng)現(xiàn)象的一種屬性?；诩す饩哂懈叻较蛐院?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(xiàn)實(shí)。所謂激光技術(shù)，就是探索開發(fā)各種產(chǎn)生激光的方法以及探索應(yīng)用激光的 這些特性為人類造福的技術(shù)的總稱。自 1960 年美國(guó)研制成功世界上第一臺(tái)紅寶 石激光器，我國(guó)也于 1961 年研制成功國(guó)產(chǎn)首臺(tái)紅寶石激光器以來(lái)，激光技術(shù)被 認(rèn)為是 20 世紀(jì)繼量子物理學(xué)、無(wú)線電技術(shù)、

6、原子能技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、 電子計(jì) 算機(jī)技術(shù)之后的又一重大科學(xué)技術(shù)新成就。 30 多年來(lái)，激光技術(shù)得到突飛猛進(jìn) 的發(fā)展，不僅研制了各個(gè)特色的多種多樣的激光器，而且激光應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓 展，并形成了激光唱盤唱機(jī)、激光醫(yī)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(chǎn)業(yè)。激光技術(shù)的飛速發(fā)展，使其 成為當(dāng)今新技術(shù)革命的“帶頭技術(shù)”之一。（ 二） 各式各樣的激光器 在光源中，實(shí)現(xiàn)能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)光放大的前提，也就是產(chǎn)生激光 的先決條件。要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需借助外來(lái)光的力量，使大量原來(lái)處于低能 級(jí)的粒子躍遷到高能級(jí)上去，這個(gè)過(guò)程我們稱之為“激勵(lì)”。我們通常所說(shuō)的激光器，就是

7、使光源中的粒子受到激勵(lì)而產(chǎn)生受激輻射 躍遷，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，然后通過(guò)受激輻射而產(chǎn)生光的放大的裝置。激光器雖 然多種多樣，但使命都是通過(guò)激勵(lì)和受激輻射而獲得激光。因此基本組成通常 均由激活介質(zhì) （即被激勵(lì)后能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì) ） 、激勵(lì)裝置 （即能使激 活介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能源，泵浦源 ）和光諧振腔 （ 即能使光束在其中反復(fù)振 蕩和被多次放大的兩塊平面 反射鏡）等三個(gè)部分組成 （圖8-2） 。經(jīng)過(guò) 30 余年的發(fā)展，各國(guó)開發(fā)出實(shí)用的激光器已超過(guò) 200種。種類繁 多，特點(diǎn)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(zhì) 來(lái)分有氣體、玻璃、 晶體 、液體、半導(dǎo)體、準(zhǔn)分子等激光

8、器，還有化學(xué)激光器 （ 靠化學(xué)反應(yīng)而形成受激狀態(tài) ） 和自由電子激光器等；按波長(zhǎng)來(lái)分，覆蓋的波長(zhǎng) 范圍包括遠(yuǎn)紅外、紅外、可見(jiàn)光、紫外直到遠(yuǎn)紫外，最近還研制出X 射線激光器和正在開發(fā)的丫射線光器；按激勵(lì)方式不同，有光激勵(lì)（光源或紫外光激 勵(lì)）、氣體放電激勵(lì)、化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)、核反應(yīng)激勵(lì)等；按輸出方式不同，有連續(xù) 的、單脈沖的、連續(xù)脈沖的和超短脈沖的，等等；從功率輸出的大小來(lái)看，其 中連續(xù)的輸出功率小至微瓦級(jí)，最大可達(dá)兆瓦級(jí)；脈沖輸出的能量可從微焦耳 至 10 萬(wàn)以上焦耳，脈沖寬度由毫秒級(jí)到皮秒級(jí)乃至飛秒級(jí) （1000 萬(wàn)億分之 一）。上述各式各樣激光器的出現(xiàn)，主要是為了滿足不同的應(yīng)用目的。如激光 加

9、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(qiáng)激光 ）。有的希 望脈沖的時(shí)間盡量縮短，以從事某些特快過(guò)程的研究。有的還對(duì)提高光的單色 性、改善輸出光的模式、改善光斑的光強(qiáng)分布以及要求波長(zhǎng)可調(diào)等提出了很高 的要求，從而使激光器的探索深度和應(yīng)用廣度得到前所未有的發(fā)展。激光器的 應(yīng)用已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，正在奇跡般地改變著我們的世界。（ 三） 蓬勃發(fā)展的激光應(yīng)用激光不僅是 20 世紀(jì)內(nèi)人類最重大的發(fā)明之一，而且激光技術(shù)的應(yīng)用已 廣泛深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)乃至社會(huì)的各個(gè)方面，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步 正在起著越來(lái)越重要的作用。1 、激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器和 光纖 放大器是光纖通信的兩項(xiàng)關(guān)

10、鍵技術(shù)。半導(dǎo)體激光器 發(fā)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(wàn)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(zhì)量 好、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上萬(wàn)倍。一根 比頭發(fā)絲還細(xì)的光纖，就可以同時(shí)傳輸上萬(wàn)路電話或成千路電視節(jié)目，從而使 通信真正成為通向千家萬(wàn)戶的網(wǎng)絡(luò)新時(shí)代。利用激光技術(shù)進(jìn)行光存儲(chǔ)，使信息的存儲(chǔ)發(fā)生了革命性的飛躍。一張CD聲頻光盤的記錄密度相當(dāng)于1000萬(wàn)比特/厘米2,可記錄78分鐘的音樂(lè)節(jié) 目，比密紋唱片要大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。一張計(jì)算機(jī)用的盤徑為5 英寸的 CD-RO，M容量可達(dá)650兆比特。一張LD（激光錄像盤），或

11、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(shù)字視盤），其視像蘊(yùn)含 的信號(hào)量比CD又要高千倍，可記錄100分鐘的清晰度很高的影視節(jié)目。CD VCD和LD不僅已在放像設(shè)備市場(chǎng)占有相當(dāng)大的份額，而且還可以在配有激光驅(qū) 動(dòng)器的計(jì)算機(jī)上播放。此外，激光打印機(jī)、激光傳真機(jī)、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(yīng)用。2 、激光在全息術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用 光作為一種波動(dòng)現(xiàn)象，表征它的物理量有波長(zhǎng) （同顏色有關(guān) ）、振幅（同 光的強(qiáng)弱有關(guān) ）和位相（表示波動(dòng)起點(diǎn)同基準(zhǔn)時(shí)間的關(guān)系 ） 。人們利用感光的照相 方法，只能記錄下波長(zhǎng)和振幅，所以無(wú)論

12、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(nèi)的全部信 息。因此，采用激光進(jìn)行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上， 通過(guò)光的衍射，就能復(fù)現(xiàn)被攝取物體栩栩如生的立體形象。時(shí)至今日，在全息 照相的基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步發(fā)展了全息干涉術(shù)、彩色全息及彩虹全息和周視全息 等新的全息技術(shù)。全息照相具有三維成像的特點(diǎn)，可重復(fù)記錄，而且每一小塊全息底片都 能再現(xiàn)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(jì)量、無(wú) 損探傷、全息光彈性、微應(yīng)變分析和振動(dòng)分析等科學(xué)研究。利用全息干涉術(shù)研 究燃?xì)馊紵^(guò)程、機(jī)械件的振動(dòng)模式、蜂窩板結(jié)構(gòu)的粘結(jié)質(zhì)量和汽車輪胎皮

13、下 缺陷檢查等已得到廣泛應(yīng)用。全息照相用作商品和信用卡的防偽標(biāo)記已形成產(chǎn) 業(yè)，用全息照相拍攝珍貴藝術(shù)品，不僅欣賞起來(lái)令人如臨其境，而且為藝術(shù)品 的修復(fù)提供了可靠而逼真的依據(jù)。正在發(fā)展的全息電視還將為人們?cè)鎏硪环N新 的生活享受。二、空間技術(shù)（ 一 ） 什么是空間技術(shù)空間技術(shù)，顧名思義就是探索、開發(fā)和利用宇宙空間的技術(shù)。現(xiàn)階段， 空間技術(shù)又稱航天技術(shù)。但對(duì)“天”目前專家們有兩種理解：一是把地球大氣 層以外的無(wú)限遙遠(yuǎn)空間稱之為“天”；另一是把地球大氣層外、太陽(yáng)系以內(nèi)的 有限空間叫做“天”。若按前一種理解，空間技術(shù)和航天技術(shù)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(yáng)系以內(nèi)的空間活動(dòng)稱之

14、為航 天，超出太陽(yáng)系以外的空間活動(dòng)稱之為航宇。這樣，空間技術(shù)則應(yīng)涵蓋航天技 術(shù)和航宇技術(shù)。但由于在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，人類主要還是在太陽(yáng)系內(nèi)從事活 動(dòng)，因此，當(dāng)今把航天技術(shù)和空間技術(shù)視為同義詞已得到公認(rèn)。我國(guó)的航天專家將空間技術(shù)的主要特點(diǎn)概括為兩個(gè)方面：首先空間技術(shù) 是一門高度綜合性的科學(xué)技術(shù)，是很多現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)成就的綜合集成。它主 要依賴于電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等眾多先進(jìn)技術(shù)的發(fā) 展。因此，一個(gè)國(guó)家空間技術(shù)的成就，最能體現(xiàn)其科學(xué)技術(shù)的水平，是衡量其 科技實(shí)力的重要標(biāo)志。其次，空間技術(shù)是一門快速的、大范圍的、在宏觀尺度 上最能發(fā)揮作用的科學(xué)技術(shù)。比如，通信衛(wèi)星可以大面積覆蓋地面以至全球； 氣象衛(wèi)星可以進(jìn)行全球天氣預(yù)報(bào)；偵察衛(wèi)星可以及時(shí)監(jiān)視廣大地區(qū)的軍事活動(dòng) 等等?？臻g技術(shù)區(qū)別于一般常規(guī)技術(shù)的這兩大特點(diǎn)，使其對(duì)一個(gè)國(guó)愛(ài)的實(shí)力和 進(jìn)步起到意想不到的戰(zhàn)略性作用：在經(jīng)濟(jì)上能產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，普 遍認(rèn)為，開發(fā)利用外層空間資源，其投資效益能達(dá)到1: 10以上；在軍事上最能顯示一個(gè)國(guó)家的軍事實(shí)力，一個(gè)國(guó)家只要占有空間優(yōu)勢(shì)，就掌握了軍事戰(zhàn)略 上的主動(dòng)權(quán)；在政治上對(duì)提高一個(gè)國(guó)家在國(guó)