科普：激光技術(shù)詳解及應(yīng)用分析
前言:說到激光，人們對于它并不陌生，激光在生活中的應(yīng)用應(yīng)該已經(jīng)聽說過很多種，比如說近視的激光矯正、激光美容等等。除了在醫(yī)療上的應(yīng)用外，激光還應(yīng)用于工業(yè)、科研、信息和軍事等領(lǐng)域。想更詳細(xì)地了解激光在環(huán)境探測和國防中的應(yīng)用，就讓西安理工大學(xué)激光雷達(dá)大氣遙感研究中心華燈鑫博士來告訴你。
1什么是激光
激光是利用光能、熱能、電能、化學(xué)能或核能等外部能量來激勵物質(zhì)，使其發(fā)生受激輻射而產(chǎn)生的一種特殊的光。激光是光的受激輻射。
與普通光源相比激光的特點(diǎn)顯而易見，方向性好（發(fā)散角?。?，探照燈照射到月球，看似平行的探照燈1公里時光斑直徑10米，激光照射月球，光斑直徑約等于2公里。亮度極高，單色性好（顏色純）、相干性好、光速傳播（3×108m/s）等都是激光的特點(diǎn)。
大自然中有關(guān)光的現(xiàn)象無處不在，人們對于光的認(rèn)識經(jīng)歷了復(fù)雜的演變過程，時至今日，尚未結(jié)束。特別是激光的出現(xiàn)改變了人們對光的認(rèn)知。1960年，美國物理學(xué)家梅曼研制出第一臺紅寶石激光器，給光學(xué)帶來一次革命，大大推動了光學(xué)以及相關(guān)科學(xué)的發(fā)展。
2激光技術(shù)的發(fā)展
光作為現(xiàn)代信息傳輸?shù)妮d體，其在近代科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了很大的作用。諾貝爾物理獎也肯定光學(xué)的近代發(fā)展。從1997年激光冷卻、2000年半導(dǎo)體激光器、2005年量子光學(xué)精密測量技術(shù)、到2009年光纖通信CCD。激光技術(shù)進(jìn)步帶來的巨大社會變革，得到社會和人們的公認(rèn)。
2009年，華裔專家高錕獲得諾貝爾物理獎，其從1957年開始從事光導(dǎo)纖維在通信領(lǐng)域應(yīng)用的研究，1966年發(fā)表了一篇題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理。1981年第一個光纖系統(tǒng)面世。此后，利用石英玻璃制成的光纖應(yīng)用越來越廣泛，全世界掀起了一場光纖通信的革命。從此，比人的頭發(fā)還要細(xì)的光纖取代了體積龐大的千百萬條銅線，成為傳送容量巨大的信息傳輸管道，徹底改變了人類的通信模式。光纖作為光的載體及傳感器件，其技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用，都依賴于激光技術(shù)的進(jìn)步。隨著光學(xué)的發(fā)展，特別是激光及光電子技術(shù)的進(jìn)步，人們對光的認(rèn)識和應(yīng)用也更深入，光學(xué)已經(jīng)深入到醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、航天、軍事、娛樂等各個社會領(lǐng)域。
3激光跟光纖是一對孿生兄弟
激光的峰值功率很大，可以達(dá)到幾十萬兆瓦，由于它大的能量可以作為激光切割，激光醫(yī)療、激光武器。此外，激光的應(yīng)用還有激光測距、激光陀螺、激光加工。激光醫(yī)學(xué)，最簡單的應(yīng)用是補(bǔ)牙，磨牙時的聲音，每個患者都不愿聽，但如果用激光來補(bǔ)牙，可以用激光將表面牙垢，蟲牙部分切割掉，沒有聲音。激光加工，要在頭發(fā)絲粗的零件上做一個齒輪，頭發(fā)絲只有50微米，要在這個上面做一個扁平齒輪，一般的機(jī)械手段是達(dá)不到的，只能用激光。
光纖加激光改變了人們的生活，每家互聯(lián)網(wǎng)的接入都是由光纖傳輸?shù)?，所以現(xiàn)在可以和世界各個地方聯(lián)系。光纖作為光的載體，它的應(yīng)用發(fā)展都要依賴于激光，光纖里藏的不是電流，是光，這個光就是激光。現(xiàn)在的光纖通信、光纖傳輸比以前的電磁波通信要快得多，因?yàn)楣獾膫鞑ニ俣瓤欤棵?0萬公里的速度在傳輸。舉個簡單的例子，上世紀(jì)90年代初，從國外打電話回來，話筒中能聽到自己的回音，但現(xiàn)在只要手機(jī)在手，打到世界各個角落都很清晰。
光纖傳感技術(shù)可以對樓宇、橋梁等大型建筑的形變，以及大型變電站溫度的變化進(jìn)行實(shí)時精密檢測。怎么用光纖測大型建筑物有沒有發(fā)生形變呢？在建設(shè)過程中，將光纖埋入混凝土中，通路相當(dāng)于血管，通過光纖把激光打進(jìn)去，通過一定的傳感技術(shù)，就知道哪個地方有微量的形變，可以馬上檢測出來。國外的摩天大樓，樓的基底都埋有光纖傳感器，將光纖直接澆筑到水泥柱里，可以實(shí)時監(jiān)測水泥柱的形變。這就是激光加光纖的應(yīng)用。
此外，利用多股光纖制作而成的光纜已經(jīng)鋪遍全球，成為互聯(lián)網(wǎng)、全球通信網(wǎng)絡(luò)的基石；光纖在醫(yī)學(xué)上也獲得了廣泛的應(yīng)用，諸如胃鏡等內(nèi)窺鏡可以讓醫(yī)生看見患者體內(nèi)的情況；光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)還在工業(yè)上獲得大量應(yīng)用，在各類生產(chǎn)制造和機(jī)械加工等方面大顯身手。
4激光在航空航天上的應(yīng)用
空航天發(fā)展上，激光的用武之地不容小覷。在探月工程中，嫦娥奔月要先得到月球的三維地圖，這個時候就用到了激光，用激光進(jìn)行測距，得到一張精度很高的月球地貌圖，為下一步奔月作了貢獻(xiàn)。玉兔要在月球著陸，在月球表面著陸的平臺上有一個激光測量著陸器和月球表面的距離，從而平穩(wěn)降落。
隨著信息的高速發(fā)展，很多都需要借助網(wǎng)絡(luò)。去年我國發(fā)射的“墨子號”衛(wèi)星，這是中國第一顆，也是世界第一顆上天的量子衛(wèi)星。有人肯定會問，量子跟激光又有什么關(guān)系呢？“量子通信指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式，具有高效率和絕對安全等特點(diǎn)。但是一切量子通信網(wǎng)絡(luò)中都必須采用激光技術(shù)”，華燈鑫博士說。量子是能表現(xiàn)出某種物質(zhì)或物理量特性的最小單元，“光的量子”（光子）是一定頻率的光的基本能量單位。經(jīng)典通信較光量子通信相比，其安全性和高效性都無法與之相提并論。安全性-量子通信絕不會“泄密”，其一體現(xiàn)在量子加密的密鑰是隨機(jī)的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息；其二，分別在通信雙方手中具有糾纏態(tài)的2個粒子，其中一個粒子的量子態(tài)發(fā)生變化，另外一方的量子態(tài)就會隨之立刻變化，并且根據(jù)量子理論，宏觀的任何觀察和干擾，都會立刻改變量子態(tài)，引起其坍塌，因此竊取者由于干擾而得到的信息已經(jīng)破壞，并非原有信息。因此，量子通信可以實(shí)現(xiàn)絕對保密通信。
