地震斷層

[拼音]:jiguang de yingyong

[英文]:laser applications

鐳射器發出的鐳射輻射,具有高定向性、高單色性、高相干性、高亮度性以及可調諧等特點,從而突破了以往所有普通光源和普通光輻射的種種侷限性,引起現代各種光學應用技術的革命性進展。

工業上的應用

利用鐳射的高亮度和高定向性的特點,可以把鐳射輻射能量集中在較小的一定空間範圍內,從而獲得比較大的光功率密度,產生幾千度到幾萬度以上的高溫;在此高溫下,任何金屬和非金屬材料都會迅速熔化或者汽化,因此可利用鐳射進行多種特殊的非接觸特種加工作業。目前比較成熟的應用有鐳射打孔、鐳射焊接、鐳射切割、鐳射劃片、激光表面處理和鐳射印刷、鐳射資訊儲存等。

在化學工業中,利用鐳射的高亮度、高單色性和可調諧等特點,可以對特定的化學反應進行控制,從而實現光學催化、光學聚合、光學合成、光學提純和光學分離等過程。目前,利用鐳射分離同位素的研究工作已經取得了很大的進展。利用激光合成各種特殊的化學物質,在技術上也取得不少的成功。

在大型裝備和建築施工中,鐳射準直與定向技術有廣泛而富有成效的應用。例如,利用氦氖鐳射器製成的鐳射指向儀、鐳射鉛直儀、鐳射水準儀和鐳射經緯儀等,在大型船舶製造、大型建築和築路施工、管道和電纜鋪設以及隧道開鑿和礦井掘進等工程中,應用效果都很好。

農業、生物學和醫學上的應用

在農業方面,利用鐳射輻射作用可達到選擇和培育優良品種的目的。利用鐳射還可以研究植物從發芽直到成熟結籽的各種基本過程以及光合作用的基本機理;研究病蟲害的發生發展規律及防治方法,各種農副產品的保管方法;此外,還可以利用鐳射遙測對農作物產量進行估算和預報等。

在醫學領域,隨著鐳射技術的出現,一種新型的以鐳射為基礎的醫療和診斷手段得到了迅速的發展,鐳射治療的方式包括輻照、燒灼、汽化、焊接、光刀切割以及光針針炙等。目前,除了臨床治療外,鐳射還可作為研究醫學和生物學課題的有效工具。例如研究鐳射作用到人或動物體上引起的各種生物學效應;利用鐳射來研究細胞的組成、分裂、生長和轉化等,從而可加深人們對新陳代謝、遺傳和發育等生命基本過程的理解。此外,藉助於鐳射技術還可以製成各種新型診斷和測量分析儀器,如鐳射顯微光譜分析儀、鐳射掃描顯微鏡、鐳射顯微解剖刀、鐳射血球計數儀等裝置,可在醫學和生物學研究中發揮出特殊的效用。

鐳射通訊

鐳射是一種光頻波段的相干電磁波輻射,因此自然可以利用鐳射作為光頻電磁載波而傳遞各種資訊。鐳射通訊的原理與普通的無線電通訊相類似;所不同的是,無線電通訊是把聲音、影象或其他訊號調製到無線電載波上傳送出去,而鐳射通訊則是把聲音、影象或其他資訊調製到鐳射載波上傳送出去。鐳射通訊的優點主要是:傳送資訊容量大、通訊距離遠、保密性高以及抗干擾性強。鐳射通訊可分為地面大氣通訊、宇宙空間通訊和光學纖維通訊等幾大類。

在較好的地面氣候條件下,可以實現幾十公里至上百公里間的定點鐳射通訊;但是鐳射束一旦受到大氣中雲、雨、霧、煙塵等因素的影響就會發生衰減和起伏擾動,從而使通訊距離和通訊質量都受到較大限制。為從根本上克服鐳射地面大氣通訊的上述缺點和限制,世界上很多國家在發展激光纖維通訊方面作了很大努力,並已取得了可喜的成果。在這種通訊系統中,載有通訊資訊的鐳射束沿著直徑小於 0.1毫米的優質光學纖維波導傳輸,因而從根本上排除了大氣中各種衰減和干擾因素的影響。

在地球大氣層外的宇宙空間,鐳射束基本上不受任何衰減和干擾影響,因此可實現極遠距離間的定向通訊聯絡。人造衛星和宇宙飛船之間的鐳射通訊系統正在研製過程中。

利用鐳射的高定向、高亮度以及可沿空間不同方向和不同位置進行精細掃描的特性,人們可實現鐳射傳真通訊,即把圖片、檔案、樣本、字跡等資訊,通過鐳射束的掃描作用而轉變為被調製了的電訊號傳送出去,在接收端通過解調製作用和顯示裝置,再把所傳送的影象訊號復現出來。鐳射傳真技術可應用於書寫電話、書寫電報以及報紙、檔案、樣本等影象文字資訊的快速遠距離傳輸。在電視和錄影技術中,可利用定向的鐳射束掃描代替定向的電子束掃描,從而實現高空間分辨、高保真的影象顯示;此外還可利用紅外鐳射掃描而在黑暗環境中拍攝電視或進行錄影。

最近幾年,基於定向鐳射束掃描記錄和掃描檢測的原理,人們還製成了商品化的視訊錄影盤,利用一張普通唱片大小但卻是特製的塑料膜盤,可記錄約一小時左右的電視節目或錄影節目;然後藉助鐳射檢測裝置,可把塑料膜盤錄下的節目隨時在電視機上覆映出來。

鐳射雷達和鐳射精密測量

儘管現代無線電和微波雷達已發展到非常完善的程度並已取得十分明顯的成就,但在某些情況下,它們仍存在一定的侷限性和不足。這主要表現在雷達系統的測距與方位測量精度受到脈衝寬度和載波波長等因素的限制;由於受到地面假回波影響而不能很好地探測地面和低空目標;此外,普通雷達還很容易受到各種電磁干擾和核爆炸等因素的干擾。

鐳射技術出現後,利用高亮度、高定向性和脈衝持續時間十分短的鐳射束來代替普通雷達的微波或無線電波射束,可以大幅度提高測距和測方位精度。鐳射雷達與測距的另一個優點,是可以不受地面假回波影響而測量各種地面和低空目標,從而填補了普通雷達的低空盲區空白。此外,鐳射雷達與測距完全不受各種電磁干擾,不但使目前已有的各種雷達干擾手段完全失效,而且還可突破諸如導彈再入彈頭周圍等離子體層的遮蔽作用,或者核爆炸產生的電離雲的干擾作用。

為了以較高的精度測量較小的距離或物體的長度,就必須採用光學干涉測長方法。在鐳射技術出現以前,普通干涉測長方法受到所使用的普通光源單色性的限制,最大量程不超過一米左右,最小的測量誤差也只能達到零點幾微米左右。但若採用鐳射干涉測長技術,量程範圍在原則上可擴大到幾百米到幾十公里以上,而測長的精度可成千上萬倍地改善。

在計量標準方面,利用單色性和頻率穩定性極高的特殊鐳射器系統,還可建立起以鐳射為基礎的長度、時間和頻率的國際新標準。比如,用單色和穩頻精度為10-13量級的鐳射器作為光頻計時標準,它在一年長時間裡所給出的計時誤差不超過一微秒,大大超過了目前採用的微波頻段原子鐘的計時精度。

展望

鐳射在上述各方面的中小型應用,一般都已取得肯定的成效,並不同程度地進入了使用推廣和發展完善階段。下面,將進一步介紹正處在探索或研究發展階段的重大的鐳射應用專案。這些專案如果最終獲得成功,將會引起現代科學技術的一些新的重要突破;因此,受到世界技術先進國家的極大重視,並投入了較多的人力和物力。

首先是鐳射輻射武器的研製問題。一般認為,輸出能力極強的鐳射器裝置,在原則上可以發展成為鐳射輻射武器,用來摧毀敵方的彈道導彈、巡航導彈、戰略轟炸機以及軍用衛星等高速飛行目標。在某些情況下,還可以用鐳射輻射來干擾和破壞敵方的軍事偵察衛星、紅外製導導彈、紅外偵察和監視等武器和裝置中的光學導航裝置或關鍵的光敏元件,從而使這些武器和裝置失靈。

其次是鐳射在原子能科學技術中的應用。鐳射技術出現後,人們發現,利用鈾的不同同位素在鐳射作用下可呈現出不同物理或化學反應的特性,能夠巧妙地設計出以鐳射可調諧共振輻照作用為基礎的新型方法,從而有可能使同位素分離的程式和相應的程式大為簡化,分離成本降低,而效率大為提高。因此,鐳射分離同位素的研究工作,引起許多國家的重視,有可能引起原子能技術的新發展。鐳射聚變可參見慣性約束聚變。

由於鐳射在宇宙空間定向傳輸過程中的光能損耗很小,故傳輸到極遠的距離外仍可有效地發生作用。宇宙航行和空間技術中,除了可以用於通訊、導航和自動控制等方面外,還可以考慮用鐳射在宇宙空間中傳送能量,或者直接用它作為星際航行的動力。人們已經提出利用強鐳射的光壓、光熱、光化學反應或者光子反衝效應來推動光子火箭或鐳射動力宇宙飛船的設想。

鐳射技術的出現,不但促進了應用技術學科的發展;而且還將極大地促進現代物理學、化學、天文學、宇宙科學、生物學和醫學等一系列基礎科學的進展。非線性光學(或所謂強光光學)這一新興光學分支學科領域的出現與發展,就是鐳射技術對現代物理學發展所起促進作用的明顯例項。現在,利用鐳射可以作為一種強有力的技術手段,來產生像超高溫、超高壓、超高速、超高場強、超高密度、超高真空等一些極端物理條件,從而便於人們去發現一些新問題、新現象,並對一些已有的重大理論結論進行新的實驗和論證。例如,利用鐳射技術可以研究超光速運動問題和光子的靜止質量問題,從而有可能對狹義相對論進行更深入的研究;利用鐳射技術也有可能創造必要的條件,進行和廣義相對論有關的重大原理性實驗。此外,還可以利用鐳射技術來探討有關宇宙模型和星系結構這一範圍更加廣泛、意義更加深遠的重大科學課題。

參考文章

在玻璃體增殖性病變治療中,鐳射的應用有哪些眼科