1.3 激光應用簡介

由于激光所具有的優異特性，已經在軍事、工業、商業、科技、生活、醫療等各領域中得到越來越廣泛的應用。本節僅對激光的應用進行歸納和簡要介紹，并將在本書的第11～13章中對激光在通信、信息以及其他領域的應用進行詳細。

1.激光在通信領域的應用

現代社會中，人們需要傳遞的信息量越來越大，對通信的質量要求也越來越高。由于無線電通信容量小、保密性差，越來越不能滿足社會發展的需要，而用激光進行通信成為人類通信史上的重大突破。利用激光進行通信方式有光纖通信和空間光通信兩種。

光纖通信與以往的通信技術相比，具有4個顯著特點：

（1）通信容量大。激光可用的頻率范圍為1×107～1×108MHz，比微波頻率高10～100萬倍，一束激光可容納100億路電話。如果全球人口按60億計算，則全世界的人同時利用一束激光進行通信還綽綽有余。理論上，一支激光束可以攜帶此時此刻全世界所有人和計算機之間來回傳送的信息。

（2）通信質量高。激光通信可以實現聲音清晰地通電話，準確無誤地傳輸數據，色彩逼真地傳遞圖像。抗干擾性強，信噪比高，失真度小。

（3）保密性好。由于激光幾乎是一束平行而準直的細線，在空間傳播時發散角極小，加之用以傳輸信息的激光大多是不可見的紅外光，所以想截獲激光非常困難。

（4）成本低。制造光纖的原料是地球上取之不盡的石英，只要幾克石英就能制出一千米長的光纖。因而用光纖代替普通金屬導線可以節約大量寶貴的有色金屬銅和鋁。光纖的傳輸損耗低，因此中繼站距離長。一般同軸電纜，每隔3km就要設一個中繼站，而光纖通信的中繼站，距離可超出30km，因此采用光纖通信的投資可以大大降低。

如今光纖通信已經成為信息社會的神經系統。

高速、長距離激光空間通信也已經實現，可用于地面上點對點的通信、飛機對飛機的通信、宇宙飛船之間的通信，以及它們之間的混合應用等。由于激光空間通信采用的是低功率激光器，能在自由空間高速率傳輸數據，無需鋪設電纜或光纖，不易被中斷和竊聽，所以特別適用于軍事和航空領域應用，如無人駕駛飛機、低軌道衛星間協調等。

2.激光在信息領域的應用

激光在信息領域的應用，除了以激光為信息載體將聲音、圖像、數據等各種信息進行傳輸的激光通信之外，還包括通過激光將信息進行存儲，以及通過激光將信息打印或顯示出來，等等。

激光存儲技術是光學、光電子學和計算機技術的一個重要交叉領域。由于激光的相干性極好，可以將光束聚焦到直徑只有0.6μm左右的焦斑上，使處于焦點微小區域內的記錄介質受高功率密度光的燒灼而形成小孔，被燒蝕的小孔表示二進制的“1”，而未燒蝕處為“0”。這樣，受到存儲信息調制的光束在記錄介質上產生光化學作用，記錄下相應的信息，形成“1”和“0”等一系列編碼就是信息的寫入記錄過程。激光存儲中用于記錄介質的基片稱為光盤。由于光盤存儲的信息容量大，保存時間長，已成為最重要的一種存儲介質，廣泛用于存儲電子百科全書、計算機軟件、音樂、MTV、電影和游戲等。

利用激光束聚焦性及掃描性好的特點，可將激光用于商品條形碼掃描儀，廣泛用于超市、商場等商業領域。

激光掃描和激光控制技術的發展，促進了激光打印技術的發展。激光打印機是綜合了激光掃描技術和電子照相技術的一種非打擊式打印機。計算機的輸出信號對激光器的輸出進行調制，帶有字符和圖形信息的激光束在涂有光導材料并均勻帶電的鼓面上掃描，使光照部分電荷消失，未照部分電荷保留，即是曝光。再經過顯影使光照部分吸附墨粉形成圖像。經過定影、轉讓，就在紙上得到清晰的輸出。品質較好的打印機的打印速度可達每分鐘200頁以上。與其他類型的打印機相比，激光打印機有著較為顯著的幾個優點，包括打印速度快、打印品質好、工作噪聲小等。

3.激光在工業領域的應用

激光的高單色和高亮度，使它成為精密計量的一種十分有效的工具。又由于激光單色性好、發散角小，能夠在透鏡的焦點處聚焦成高功率的光斑，高功率激光集中在物體上的某一點，便可對被物體進行高溫加熱、切斷、焊接及熔覆等加工。激光還可以對材料進行非接觸式處理或探測。因為沒有表面接觸，不會產生由探測射線所引起的污染，也不會引起器具邊緣的磨損，而掃描性好的特點又使其可在大面積范圍內進行工作。

因此，激光技術已經廣泛應用在工業領域的各個部門。例如，高功率激光被用來切割、鉆孔或焊接鋼鐵，用高功率激光器作為切割、焊接的材料處理工藝，在汽車制造行業中已經成為常規方法；激光傳感器用來實時檢測化學處理過程；在半導體工業中采用光刻工藝來制造集成電路；在建筑工業中用激光來進行對準和控制，等等。

根據功能的不同，激光在工業中的應用可分為兩大類：一是執行制造工藝，即光直接與產品相作用，以改變其物理性質，如光刻或材料處理；二是控制制造工藝，即用激光來提供有關制造過程的信息，或用來檢驗制造的產品，如激光計量技術可以控制關鍵尺寸及布局或定位。

4.激光在生物醫學領域的應用

激光技術為生物學研究提供了新的思路和手段，為醫學診斷提供了新的方法，為疾病治療提供了新方式。

從激光基因測序到激光顯微鏡，激光技術的進步極大地推進了生物學基礎研究。激光問世不久就進入細胞遺傳學領域，利用激光可聚焦成微米或納米級光斑的特點，可以進行顯微細胞外科手術、測量人體DNA分布、基因轉移、DNA裁剪和基因定位、促進DNA合成、細胞融合等。在酶工程和發酵工程等生物技術中，激光也得到了重要應用。

1961年，首次將紅寶石激光用于眼科的視網膜凝固治療，從此開始了激光在醫學臨床的應用。現在，激光技術已經為心臟病、癌癥、腎結石、眼科、婦科、牙科、皮膚科等疾病提供了新療法，由此對許多人的生命產生影響。利用激光和光纖，通過微損傷療法取代開腔式外科手術，形成了治病的無損傷途徑。作為外科應用，聚焦的激光束（常用CO2激光器發出的紅外光）被組織中的水分子強烈吸收，并使這些水分子快速蒸發，就可以將這些組織切除，這樣的激光束被稱為激光手術刀。激光在醫學領域的應用大致可分為診斷和治療兩大類。

在現代生活中，激光還廣泛應用于美容外科。例如，激光治療系統利用皮膚中不同顏色的組織對激光波長的選擇吸收的特點，在基本不破壞正常組織的情況下，對皮膚中的黑色素在極短的瞬間用極高峰值的脈沖激光進行照射，使之發生迅速的熱膨脹和粉碎，最后由吞噬細胞運走并排出體外，疤痕和色斑就會慢慢消失。

現在，在世界各國，差不多所有的中等規模以上的醫院都不同程度地擁有各種類型的激光醫療設備。全世界每年研究、生產的激光設備中，用于生命科學領域的數量最大、品種最多。

5.激光在國防科技領域的應用

激光因其高功率和好的光束質量，在國防科技領域應用很廣，是未來高科技戰爭中不可缺少的技術。新技術在國防領域起著根本性作用，激光的出現，使光學系統成為全新的各類國防應用的基礎，將再次改變戰爭的進行方式。目前，激光在國防系統中的應用已與電子學和微波處于同一水平，而且已經成為國防領域至關重要的全新系統與系統概念的核心。

當1960年世界上首臺激光器問世時，隨即開始發展激光武器，激光武器目前已逐漸實現實戰階段應用。激光作為武器在軍事上應用的形式千變萬化，但是基本上可以分為三個主要部分：追蹤、尋的系統（即正確判定攻擊目標的位置和性質的系統）；發射實施摧毀性打擊的高能激光系統；輔助的控制和通信系統。

激光武器是利用高能量密度激光束替代常規子彈的新型武器，是武器裝備發展歷程中繼冷兵器、火器和核武器等之后又一個重要的里程碑。這類武器以光束作戰的迅速反應能力，以外科手術式殺傷的高效作戰方式，以及特別適于反衛星和破壞敵方信息系統等阻止敵方獲取信息的能力，使其成為適應信息化高技術戰爭的新一代主戰兵器。目前發展和正在逐步投入部署的各種激光武器系統，用在戰略和戰術導彈防御、巡航導彈防御、反衛星、高分辨率圖像、防空、艦船防御、地面作戰和近距離支援以及飛機自衛等各個方面。圖1-9所示為利用激光武器摧毀洲際彈道導彈的示意圖。

除了激光武器之外，還有激光偵察（如激光測距、激光通信、激光雷達）、激光制導、激光陀螺、激光對抗等技術，都在現代戰爭中發揮著及其重要的作用。激光測距與坦克、大炮相結合構成的火控系統，首發命中率大大提高，已成為軍隊必備的武器裝備。激光雷達與微波雷達相比，由于激光束方向性好，它的測量精度遠優于微波雷達，距離精度可達厘米量級，角度精度可達萬分之一度，甚至更小。利用激光制導炸彈攻擊重要的點狀目標，其命中率遠高于常規的炮擊和轟炸，費效比大為提高，圖1-10所示為激光制導炸彈轟炸目標坦克的示意圖。

6.激光在科學技術前沿問題中的應用

今天許多的實際技術是源于數年前或幾十年前所做的基礎科學研究，同樣，現在對于激光在科學技術前沿問題中的研究和應用，潛藏著今后巨大的社會利益。

光譜分析是研究物質結構的重要手段，激光技術與經典光譜學相結合形成的激光光譜學，具有頻率、空間和時間上的高分辯率，可以進一步揭示物質的微觀結構，如原子能級的精細結構、高量子態的能級結構、分子的各種密集的振轉譜帶結構等；揭示物理、化學、生物學等宏觀現象的微觀動力學過程，如量子躍遷、能量轉移、電子轉移、輸運與漲落、化學反應中間過程等瞬態行為。在天文學上，認為“大爆炸”或宇宙后留下的“外來”原子也可以用激光光譜研究，并且檢驗那些難以捉摸的亞原子，如中微子等。對這些問題的研究有助于解答宇宙是怎么誕生的，它由什么組成，以及它怎樣表示等基礎科學問題。

激光誘導的慣性約束核聚變是產生可控核聚變的一種途徑。利用高功率激光照射聚變燃料，使之發生聚變反應，并人為地控制反應速度，使熱核聚變按照需要緩慢而均勻地進行，連續地將聚變能量轉換為熱能和電能，從而建成熱核動力反應堆和熱核電站，是激光技術和核技術聯合開發研究的熱點。激光核聚變可以為人類找到一種用不完的清潔能源，可以研制真正的“干凈”核武器，而且可以部分代替核試驗。因此，激光核聚變在民用和軍事上都具有十分重要的意義。

激光束照亮了超微世界，它呈現的超快或超窄脈沖（時間域）幫助人們了解微觀世界中的原子、分子結構。在微小的原子水準，事件的發生都在10-9～10-12s時間尺度內，現在可以利用超短激光脈沖在飛秒（10-15s）的時間尺度測出所發生的事件。超短（或超窄）脈沖被用于半導體材料中電子移動速度和發動機中燃燒化學過程研究。它不僅提供了激勵光的測量，同時還提供皮秒時間刻度的測量分辨率。用超短脈沖構造的開關器件使計算機、通信儀器和其他半導體器件速度大大提高、體積明顯減小。

激光已經開始用于探測和控制原子、分子和微小粒子的速度和位置，激光冷卻和原子捕陷的研究在科學上有很重要的意義。現在，氣相原子可以用激光冷卻到微開溫度，這時它們的速度為1cm/s的量級，原子一旦被冷卻后就比較容易被操縱。被冷卻的超冷原子為物理學的研究開辟了廣闊的研究方向，特別是為原子分子物理、原子頻率、非線性光學和量子統計物理等領域提出了新的研究對象。同時，激光冷卻技術也為這些領域也提供了最新的研究工具。

激光可以作為光學鑷子應用于分子生物學領域中對微生物、染色體、細胞等微粒的操作。利用激光操縱微粒技術，可以非接觸非破壞地對細胞和細胞小器官或生物分子聚合體進行捕捉和操作，從而做到以往機械操作方法所得不到的操作性和自由度。目前已經應用在細胞的選擇識別、鞭毛的順從性的測定，以及通過微小管輸送細胞小器官時產生的力的測定上。若利用紫外光至可見光的激光，則可成為局部切斷細胞組織的激光手術刀，或者是在細胞膜上開出引起細胞融合所需孔的激光鉆頭。

激光化學也是激光的重要應用領域，無論在研究所還是在工業界，化學產品要達到成功，必須做到兩件事情：理解所用到的物質的化學結構；而且能夠高速產生化學變化。在這兩個方面，激光都能起到至關重要的作用。