第1章 激光技术与产业概况
1.1 激光技术及其应用
1.1.1 激光技术及发展历程
激光是20世纪以来继核能、电子计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“*快的刀”“*准的尺”“*亮的光”[1]。英文名Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是“通过受激辐射而放大发出的光”，也就是原子受激辐射的光，故名“激光”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程：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。被引诱（激发）出来的光子束（激光）的光子光学特性高度一致，因此激光相比普通光源具有亮度更高、方向性好、单色性好、相干性好的特点。
激光的原理早在1916年已被著名的物理学家爱因斯坦（Einstein）发现。1917年，爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》论文中提出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一种方式跃迁到较低能级。他指出当频率为*=(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，同时辐射两个与外来光子频率、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[2]。爱因斯坦提出了一套全新的技术理论“光与物质相互作用”，即在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁到）低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫作“通过受激辐射而放大发出的光”，简称激光[3]。
1951年，美国科学家查尔斯 哈德 汤斯（Charles Hard Townes）在论文《红外和光学激射器》中提出设想，如果用分子替代电子，就可以得到波长足够小的无线电波。因为分子具有各种不同的振动形式，有些分子的振动正好和微波波段范围的辐射相同。他们研究的问题是如何将这些振动转变为辐射。以氨分子（NH3）为例，在适当的条件下，它每秒振动240亿次（24 GHz），有可能发射波长为1.25 cm的微波。文章中设想通过热或电的方法，把能量泵入氨分子中，使它们处于“激发”状态。再使这些受激的分子处于具有和氨分子的固有频率相同的微波束中—这个微波束的能量可以是很微弱的。那么一个单独的氨分子就会受到这一微波束的作用，以同样波长的束波形式放出它的能量，这一能量又作用于另一个氨分子，使它也放出能量。这个很微弱的入射微波，相当于从塔底根基处抽掉一块，形成雪崩效应，*后就会产生一个很强的微波束。*初用来激发分子的能量就全部转变为一种特殊的辐射[4]。
1953年12月，美国科学家查尔斯 哈德 汤斯（Charles Hard Townes）和阿瑟 伦纳德 肖洛（Arthur Leonard Schawlow）按上述工作原理制作成了一个装置，产生了所需要的微波束。这个过程被称为“受激辐射的微波放大”，按其英文的首字母缩写为M.A.S.E.R，并由之造出了单词“maser”[5]。1958年，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发时，都会产生这种不发散的强光—激光。汤斯也因此获得1964年的诺贝尔物理学奖[3]。
1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家西奥多 哈罗德 梅曼（Theodore Harold Maiman）宣布获得了波长为0.6943 μm的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因此也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家[3]。1960 年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器诞生，梅曼的方案是：利用一个高强闪光灯管来激发红宝石。由于红宝石是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度[6]。同年研究成果发布在《自然》杂志上，宣告20世纪*伟大的发明之一激光器诞生了。
苏联科学家尼古拉 根纳季耶维奇 巴索夫（Николай Геннадиевич Басов）于1960年还发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好[7]。
1961年8月，中国第一台激光器—“小球照明红宝石”激光器，在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生了。它虽比国外同类型激光器的问世迟了近一年时间，但其在许多方面都有自身的特色，特别是在激发方式上，比国外激光器具有更好的激发效率，这表明我国激光技术当时已达到世界先进水平。这台激光器的设计师是王之江教授，他被称为“中国激光之父”[8]。
1971年，激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍的匈牙利裔物理学家丹尼斯 加博尔（Dennis Gabor）凭借对全息摄像的研究获得了1971年诺贝尔物理学奖。
1975年，IBM公司投放第一台商用激光打印机。
1983年，美国总统罗纳德 威尔逊 里根（Ronald Wilson Reagan）发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器。
1988年，美国宝丽来公司的埃利亚斯．斯尼泽（Elias Snitzer）和洪波（Hong Po）等*早提出了双包层光纤激光器的构想。
1990年，激光开始用于集成电路和汽车制造为代表的制造业。
1991年，全球*大的光纤激光制造商IPG Photonics（以下简称IPG）由瓦伦丁 加蓬赛夫（Valentin Gapontsev）博士创建，总部设在美国东部的马萨诸塞州。IPG在德国、美国、俄罗斯和意大利设有生产、研发基地，并在全球设有销售和服务网点，覆盖美国、欧洲、印度、日本、韩国、新加坡和中国，并于2006年在美国纳斯达克证券交易所上市。
1996年，大族激光崛起于改革开放的前沿—深圳，并成为中国激光装备行业的领军企业。2001年9月，大族激光顺利完成股份制改造，深圳市大族激光科技股份有限公司成立。2004年6月25日，大族激光股票在深圳证券交易所上市。
2008年，法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤，开创了激光医疗的先河。
2010年，美国国家核安全管理局表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料：氢的同位素氘和氚，解决了核聚变的一个关键困难。
2015年，中国科学院上海光学精密机械研究所研制的10 PW（1 PW = 1×1015 W）级超强超短激光装置，实现了1 PW激光脉冲输出。
2016年，我国首次实现了“高功率光纤激光器”核心器件全国产化的目标，并基本做到了在我国相关领域应用的全覆盖。
2018年，激光实现了从超短光到超短超强光的突破。而2018年诺贝尔物理学奖授予美国物理学家阿瑟 阿什金（Arthur Ashkin）、法国物理学家杰哈 莫罗（Gérard Mourou）和加拿大物理学家唐娜 斯特里克兰（Donna Strickland），以表彰他们“在激光物理领域内的开创性发明”。啁啾脉冲放大技术是超高峰值功率超短脉冲激光发展的一个重要里程碑，极大地推动了超强超短激光和强场激光物理等研究领域。
图1.1是激光技术发展重要时间节点的全景图，初步描绘了激光技术的发展史。
1.1.2 激光技术的主要特点
激光技术具有以下四个主要特点。
一是定向发光。普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，是朝一个方向射出的，光束的发散度极小，大约只有0.001 rad，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万km，但激光在月球表面的光斑直径不到2 km。若聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，其光斑直径将覆盖整个月球。
二是亮度极高。在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度*高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02 lx（勒克斯，为光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。若用功率*强的探照灯照射月球，产生的照度只有约10?12 lx，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。
三是单色性好。不同颜色光的波长（或频率）是不同的，而且每一种颜色的光也不是单一的波长，而是有一个波长（或频率）范围，称为谱线宽度。例如，红光的波长范围为650～760 nm，即谱线宽度* = 110 nm。谱线宽度越窄，光的单色性就越好。普通光中单色性*好的是同位素86Kr灯所发出的光，其波长为605.7 nm，低温时，* = 0.0047 *。氨氖激光器发出的波长为632.8 nm的激光，其*可小至10?8 nm，一般为10?5 nm，可见激光具有很好的单色性。
图1.1 激光技术发展史
四是相干性好。光的相干性是指两束光相遇时，在相遇区域内发出的波的叠加，能形成比较清晰的干涉图样（即亮暗交替条纹）或能接收到稳定的拍频信号。不同时刻，由同一点发出的光波之间的相干性称为时间相干性。同一时间，由空间不同点发出的光波的相干性称为空间相干性。激光是受激辐射形成的，各个发光中心发出的光波在传播方向、振动方向、频率、相位等方面是完全一致的，因此激光的空间相干性和时间相干性好，谱线宽度窄。
1.1.3 激光技术的应用
由于激光所具有的特殊性质以及激光技术的不断发展，激光技术在各领域都得到了广泛的应用，主要包括工业、信息、医学、商业、科研、军事等。
激光在工业上的应用主要体现在利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行加工处理。激光材料加工按激光束对材料的作用效果可以划分为激光材料去除加工、激光材料增长加工、激光材料改性加工、激光材料微细加工以及其他加工。具体方式包括激光切割、激光焊接、激光钻孔、激光雕刻、激光刻蚀、激光熔覆、激光清洗、增材制造、激光微纳制造等。
激光在信息领域的应用主要包括激光通信、激光测量等。激光通信是一种利用激光传输信息的通信方式，按传输媒质主要分为大气激光通信和光纤通信。大气激光通信是将载波光信号通过大气作为传输通道实现点到点的信息传输的通信方式。光纤通信是利用光纤传输光信号的通信方式。大气激光通信和光纤通信多采用半导体激光器作为光源，二者所构成的通信系统分别为无线数字通信系统和光纤通信系统。激光测量是利用激光束对物体进行非接触式测量，不影响被测物体质量和运动方式，具有精度高、测量范围大、检测时间短、空间分辨率高等特点，其应用主要包括激光测距、激光测速、激光跟踪、激光扫描等。激光测量技术现已被广泛应用于智能驾驶、智能物流、智能工厂等领域。
在医学领域，激光从临床诊断、治疗到基础医学研究都有广泛应用，主要包括激光医疗、激光美容、激光诊断等技术应用。激光医疗是利用激光对生物体产生的强烈的热效应、光化学反应、光压、光裂和电磁场各种作用进行临床治疗。激光美容是利用特定波长的激光光束透过表皮层和真皮层，破坏色素细胞和色素颗粒达到皮肤美白的效果，属于强激光
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