物理激光空间技术论文

激光与空间技术胡海棠国家科委信息司原常务副司长研究员——一、激光技术——（一）什么是激光与激光技术——激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。物理学家把产生激光的机理溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说，即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程。众所周知，任何一种光源的发光都与其物质内部粒子的运动状态有关。当处于低能级上的粒子（原子、分子或离子）吸收了适当频率外来能量（光）被激发而跃迁到相应的高能级上（受激吸收）后，总是力图跃迁到较低的能级去，同时将多余的能量以光子形式释放出来。如果光是在没有外来光子作用下自发地释放出来的（自发辐射），此时被释放的光即为普通的光（如电灯、霓虹灯等），其特点是光的频率大小、方向和步调都很不一致。但如果是在外来光子直接作用下由高能级向低能级跃迁时将多余的能量以光子形式释放出来（受激辐射），被释放的光子则与外来的入射光子在频率、位相、传播方向等方面完全一致，这就意味着外来光得到了加强，我们称之为光放大。显然，如果通过受激吸收，使处于高能级的粒子数比处于低能级的越多（粒子数反转），这种光的放大现象就越明显，这时就有可能形成激光了。——激光之所以被誉为神奇的光，是因为它有普通光所完全不具备的四大特性。——1.方向性好——普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内（图8-9），这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。——2.亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是103瓦／（厘米2.球面度），而一台大功率激光器的输出光亮度经太阳光高出7～14个数量级。这样，尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。——3.单色性好——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。——4.相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。激光的这一特性使全息照相成为现实。——所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。自1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器，我国也于1961年研制成功国产首台红宝石激光器以来，激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且激光应用领域不断拓展，并形成了激光唱盘唱机、激光医疗、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兴产业。激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的“带头技术”之一。——（二）各式各样的激光器——在光源中，实现能级粒子数反转是实现光放大的前提，也就是产生激光的先决条件。要实现粒子数反转，需借助外来光的力量，使大量原来处于低能级的粒子跃迁到高能级上去，这个过程我们称之为“激励”。——我们通常所说的激光器，就是使光源中的粒子受到激励而产生受激辐射跃迁，实现粒子数反转，然后通过受激辐射而产生光的放大的装置。激光器虽然多种多样，但使命都是通过激励和受激辐射而获得激光。因此基本组成通常均由激活介质（即被激励后能产生粒子数反转的工作物质）、激励装置（即能使激活介质发生粒子数反转的能源，泵浦源）和光谐振腔（即能使光束在其中反复振荡和被多次放大的两块平面反射镜）等三个部分组成（图8-2）。——经过30余年的发展，各国开发出实用的激光器已超过200种。种类繁多，特点各异，用途也各不相同。激光器有各种不同的分类方法：按工作物质来分有气体、玻璃、晶体、液体、半导体、准分子等激光器，还有化学激光器（靠化学反应而形成受激状态）和自由电子激光器等；按波长来分，覆盖的波长范围包括远红外、红外、可见光、紫外直到远紫外，最近还研制出X射线激光器和正在开发的γ射线光器；按激励方式不同，有光激励（光源或紫外光激励）、气体放电激励、化学反应激励、核反应激励等；按输出方式不同，有连续的、单脉冲的、连续脉冲的和超短脉冲的，等等；从功率输出的大小来看，其中连续的输出功率小至微瓦级，最大可达兆瓦级；脉冲输出的能量可从微焦耳至10万以上焦耳，脉冲宽度由毫秒级到皮秒级乃至飞秒级（1000万亿分之一）。——上述各式各样激光器的出现，主要是为了满足不同的应用目的。如激光加工和某些军用激光都要求高功率激光或高能量激光（即所谓强激光）。有的希望脉冲的时间尽量缩短，以从事某些特快过程的研究。有的还对提高光的单色性、改善输出光的模式、改善光斑的光强分布以及要求波长可调等提出了很高的要求，从而使激光器的探索深度和应用广度得到前所未有的发展。激光器的应用已渗透到各个领域，正在奇迹般地改变着我们的世界。——（三）蓬勃发展的激光应用——激光不仅是20世纪内人类最重大的发明之一，而且激光技术的应用已广泛深入到工业、农业、军事、医学乃至社会的各个方面，对人类社会的进步正在起着越来越重要的作用。——1、激光在信息领域的应用——半导体激光器和光纤放大器是光纤通信的两项关键技术。半导体激光器发出的激光不仅单色性和相干性好，而且光波频率比微波频率又高万倍，故以激光为传递信息的载体，用光纤做信息传递线路的光纤通信，不仅通信质量好、抗干扰能力强、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上万倍。一根比头发丝还细的光纤，就可以同时传输上万路电话或成千路电视节目，从而使通信真正成为通向千家万户的网络新时代。——利用激光技术进行光存储，使信息的存储发生了革命性的飞跃。一张CD声频光盘的记录密度相当于1000万比特／厘米2，可记录78分钟的音乐节目，比密纹唱片要大好几个数量级。一张计算机用的盘径为5英寸的CD-ROM，容量可达650兆比特。一张LD（激光录像盘），或者近几年最热门的VCD（激光视盘，谷称小影碟），以及继VCD之后的新一代视盘DVD（数字视盘），其视像蕴含的信号量比CD又要高千倍，可记录100分钟的清晰度很高的影视节目。CD、VCD和LD不仅已在放像设备市场占有相当大的份额，而且还可以在配有激光驱动器的计算机上播放。——此外，激光打印机、激光传真机、激光照排、激光大屏幕彩色电视、光纤有线电视以及大气激光通讯等均已得到广泛应用。——2、激光在全息术领域的应用——光作为一种波动现象，表征它的物理量有波长（同颜色有关）、振幅（同光的强弱有关）和位相（表示波动起点同基准时间的关系）。人们利用感光的照相方法，只能记录下波长和振幅，所以无论照得多么逼真，看照片和看真的景物总是不一样。而激光具有高相干性，能获取干涉波空间包括相位在内的全部信息。因此，采用激光进行全息摄影，被拍物体的全部信息都被记录在底片上，通过光的衍射，就能复现被摄取物体栩栩如生的立体形象。时至今日，在全息照相的基础上，还进一步发展了全息干涉术、彩色全息及彩虹全息和周视全息等新的全息技术。——全息照相具有三维成像的特点，可重复记录，而且每一小块全息底片都能再现物体的完整立体形象，其用途十分广泛。可广泛用于精密干涉计量、无损探伤、全息光弹性、微应变分析和振动分析等科学研究。利用全息干涉术研究燃气燃烧过程、机械件的振动模式、蜂窝板结构的粘结质量和汽车轮胎皮下缺陷检查等已得到广泛应用。全息照相用作商品和信用卡的防伪标记已形成产业，用全息照相拍摄珍贵艺术品，不仅欣赏起来令人如临其境，而且为艺术品的修复提供了可靠而逼真的依据。正在发展的全息电视还将为人们增添一种新的生活享受。——二、空间技术——（一）什么是空间技术——空间技术，顾名思义就是探索、开发和利用宇宙空间的技术。现阶段，空间技术又称航天技术。但对“天”目前专家们有两种理解：一是把地球大气层以外的无限遥远空间称之为“天”；另一是把地球大气层外、太阳系以内的有限空间叫做“天”。若按前一种理解，空间技术和航天技术完全是一回事；若按后一种理解，人们把地球大气层以外、太阳系以内的空间活动称之为航天，超出太阳系以外的空间活动称之为航宇。这样，空间技术则应涵盖航天技术和航宇技术。但由于在相当长的时间内，人类主要还是在太阳系内从事活动，因此，当今把航天技术和空间技术视为同义词已得到公认。——我国的航天专家将空间技术的主要特点概括为两个方面：首先空间技术是一门高度综合性的科学技术，是很多现代科学和技术成就的综合集成。它主要依赖于电子技术、自动化技术、遥感技术和计算机技术等众多先进技术的发展。因此，一个国家空间技术的成就，最能体现其科学技术的水平，是衡量其科技实力的重要标志。其次，空间技术是一门快速的、大范围的、在宏观尺度上最能发挥作用的科学技术。比如，通信卫星可以大面积覆盖地面以至全球；气象卫星可以进行全球天气预报；侦察卫星可以及时监视广大地区的军事活动等等。——空间技术区别于一般常规技术的这两大特点，使其对一个国爱的实力和进步起到意想不到的战略性作用：在经济上能产生很高的经济和社会效益，普遍认为，开发利用外层空间资源，其投资效益能达到1∶10以上；在军事上最能显示一个国家的军事实力，一个国家只要占有空间优势，就掌握了军事战略上的主动权；在政治上对提高一个国家在国际活动中的地位影响深远。一项重大空间成就，往往成为国际谈判的重大筹码；在科学技术上还能带动电子、自动化、遥感、生物等学科的发展，并形成包括卫星气象学、卫星海洋学、空间生物学和空间材料工艺学等一群新的边缘科学。——（二）空间技术的重大成就——空间技术的开创和发展是人类开拓宇宙空间的壮丽事业。空间技术自50年代崛起以来，以其辉煌的成就对国际政治、军事产生的影响和对人类经济、文明作出的贡献举世瞩目。几十年来，空间技术取得了重大的成就，其中各类卫星大显神通。