本文作者：姜建偉
“要組織一批人專門去研究它。……，專門研究它。”
——《毛澤東文集》第八卷第352頁
引言
上世紀60年代，美國工程師西奧多?梅曼發明了世界上第一臺紅寶石激光器，正式宣告人類社會從傳統物理光學進入現代光學時代。一年后，在王之江院士的帶領下，中國科學院長春光機所研制出第一臺國產激光器（如圖1所示）。從激光的誕生開始，黨和國家領導人就高度重視。1963年12月16日，時任國家國防科工委主任聶榮臻元帥向毛澤東同志匯報激光技術的研究與應用。上海光學精密機械研究所也在相關背景下積極籌備成立，對推動我國激光技術發展起到重要作用。從1964年到2024年，我國的激光技術有著飛躍的發展。激光，這個聽起來充滿未來感、高級感的詞匯，早已滲透到日常生活的方方面面。從超市的條形碼掃描到高端制造業的精密切割，激光技術的應用無處不在。那么，激光究竟是什么？它又是如何工作的呢？我國激光技術發展現狀有哪些？本文將為您解答這些疑問。
關鍵詞：激光器；激光原理；640工程；光學精密機械；
一、激光的定義
圖1:我國第一臺紅寶石激光器（來源：https://www.troteclaser.com/）
圖2:不同顏色的激光光束（來源：https://www.troteclaser.com/、封面圖片）
二、激光器的工作原理
泵浦源提供能量給激光介質，使介質中的原子或分子激發到高能級。泵浦源可以是電能（如激光二極管）、光能（如閃光燈或另一個激光器）或其他形式的能量[6]。
諧振腔由兩個平行的反射鏡組成，一個全反射鏡和一個部分反射鏡。激光在這兩個鏡子之間來回反射，每次通過激光介質時都會得到放大，最終從部分反射鏡輸出[7]。
圖3:激光器工作原理（來源：參考文獻[8]）
三、激光的四大應用
如圖4所示，采用高功率激光（如CO2激光或光纖激光）對金屬（鋼、鋁）和非金屬（塑料、陶瓷）材料進行切割，切割精度可達±0.1毫米，適用于汽車零部件、航空航天精密部件的加工。在汽車制造中，激光焊接用于電池組密封焊接（如電動汽車鋰電池）和車身框架連接，焊縫寬度可控制在0.2-0.5毫米；在電子產品中，激光用于微電子元件（如傳感器、芯片封裝）的無損焊接。利用紫外或光纖激光在材料表面形成永久標識，例如條形碼/二維碼打標分辨率可以達1200 dpi，適用于醫療器械追溯和奢侈品防偽[9]。
（2）醫療領域
眼科手術方面，通過飛秒激光（波長1053 nm）切削角膜基質層，矯正近視/散光的精度達到±5微米，術后視力恢復誤差小于0.25屈光度。利用激光輔助晶狀體切割，切口精度控制在0.1毫米以內，可有效治療白內障等眼科疾病。如圖5所示，皮膚美容手術方面，通過半導體激光（波長808 nm）選擇性破壞毛囊，單次療程減少毛發量70%-80%。此外，激光在外科手術方面也有很大作用，利用CO2激光用于腫瘤切除，切割深度可精確至0.1毫米，術中出血量減少60%[10]。
（3）通信技術
光纖通信方面，電信運營商（如中國移動、AT&T、Verizon）都開始部署基于1550 nm半導體激光器的單模光纖網絡，支撐5G基站、數據中心和海底光纜的超高速傳輸（100 Gbps-400 Gbps。華為公司目前正在研發密集波分復用（DWDM）技術，通過單根光纖同時傳輸多波長激光信號，提升光纖容量至10 Tbps以上，滿足云計算和流媒體服務的需求[11]。
（4）精密測量
采用可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）檢測大氣中CO2、CH4等溫室氣體，靈敏度達ppb級，用于碳排放監測和污染源追蹤。利用拉曼激光光譜儀（波長785 nm/532 nm）分析半導體、納米材料分子結構，空間分辨率達1微米，指導新材料研發。生物醫學方面，應用光鑷技術（波長1064 nm激光）捕獲并操控單個細胞、DNA鏈或病毒顆粒，研究微生物力學特性與藥物相互作用機制[12]。
圖4:激光切割（來源：參考文獻[13]）
圖5:激光多譜勒醫療儀器（來源：參考文獻[13]）
圖6:中國激光市場（來源：http://www.people.com.cn）
結語
參考文獻
[2] Li J,Chen Q,Wu W,et al.Densification and optical properties of transparent Ho:YAG ceramics[J].Optical Materials, 2013, 35(4):748-752.
[3] Sheik-Bahae M , Said A A , Wei T H ,et al.Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam[J].IEEE Journal of Quantum Electronics, 2002, 26(4):760-769.
[4] Gao J , Long Q , Han Q ,et al.12.7 W intra-cavity pumped Ho:YAG laser with near-diffraction-limited beam quality.[J].Optics Express, 2023, 31(11):17175-17184.
[5] Ho Y , Gruhler A , Heilbut A ,et al.Systematic identification of protein complexes in Saccharomyces cerevisiae by mass spectrometry[J].Nature, 2002, 415(6868):180-183.
[6] Okhrimchuk A G , Shestakov A V , Khrushchev I ,et al.Depressed cladding, buried waveguide laser formed in a YAG:Nd3+ crystal by femtosecond laser writing[J].Optics Letters, 2005, 30(17):2248.
[7] Beaud P , Zysset B , Schwarzenbach A P ,et al.1.3-μ subpicosecond pulses from a dye laser pumped by compressed Nd:YAG-laser pulses[J].Optics Letters, 1986, 11(1):446-450.
[8] Zhu S , Zhu X , Liu L ,et al.Theoretical and experimental studies of the spectral changes of a polychromatic partially coherent radially polarized beam[J].Optics Express, 2013, 21(23):27682-27696.
[9] Russbueldt P , Mans T , Weitenberg J ,et al.Compact diode-pumped 1.1 kW Yb:YAG Innoslab femtosecond amplifier[J].Optics Letters, 2010, 35(24):4169.
[10] 王建華,李明,張偉.中國激光技術發展現狀與趨勢分析[J].中國激光, 2022, 49(10): 1001001.
[11] 張明遠.激光技術的起源與發展：從理論到應用[J].物理學報, 2020, 69(5): 054201.
[12] 李偉,王強.激光原理與技術：從基礎到應用[J].光學學報, 2019, 39(3): 0300001.
[13] 陳光明.激光物理基礎及其發展歷程[J].物理, 2018, 47(6): 361-368.
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
