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科普:激光技术详解及应用分析

2017-06-06 09:21
铁马老言
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说到激光,人们对于它并不陌生,激光在生活中的应用应该已经听说过很多种,比如说近视的激光矫正、激光美容等等。除了在医疗上的应用外,激光还应用于工业、科研、信息和军事等领域。想更详细地了解激光在环境探测和国防中的应用,就让西安理工大学激光雷达大气遥感研究中心华灯鑫博士来告诉你。

什么是激光

激光是利用光能、热能、电能、化学能或核能等外部能量来激励物质,使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。激光是光的受激辐射。

与普通光源相比激光的特点显而易见,方向性好(发散角小),探照灯照射到月球,看似平行的探照灯1公里时光斑直径10米,激光照射月球,光斑直径约等于2公里。亮度极高,单色性好(颜色纯)、相干性好、光速传播(3×108m/s)等都是激光的特点。

大自然中有关光的现象无处不在,人们对于光的认识经历了复杂的演变过程,时至今日,尚未结束。特别是激光的出现改变了人们对光的认知。1960年,美国物理学家梅曼研制出第一台红宝石激光器,给光学带来一次革命,大大推动了光学以及相关科学的发展。

激光技术的发展

光作为现代信息传输的载体,其在近代科学领域发挥了很大的作用。诺贝尔物理奖也肯定光学的近代发展。从1997年激光冷却、2000年半导体激光器、2005年量子光学精密测量技术、到2009年光纤通信CCD。激光技术进步带来的巨大社会变革,得到社会和人们的公认。

2009年,华裔专家高锟获得诺贝尔物理奖,其从1957年开始从事光导纤维在通信领域应用的研究,1966年发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文,开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理。1981年第一个光纤系统面世。此后,利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广泛,全世界掀起了一场光纤通信的革命。从此,比人的头发还要细的光纤取代了体积庞大的千百万条铜线,成为传送容量巨大的信息传输管道,彻底改变了人类的通信模式。光纤作为光的载体及传感器件,其技术的发展及其应用,都依赖于激光技术的进步。随着光学的发展,特别是激光及光电子技术的进步,人们对光的认识和应用也更深入,光学已经深入到医学、地质、航天、军事、娱乐等各个社会领域。

激光跟光纤是一对孪生兄弟

激光的峰值功率很大,可以达到几十万兆瓦,由于它大的能量可以作为激光切割,激光医疗、激光武器。此外,激光的应用还有激光测距、激光陀螺、激光加工。激光医学,最简单的应用是补牙,磨牙时的声音,每个患者都不愿听,但如果用激光来补牙,可以用激光将表面牙垢,虫牙部分切割掉,没有声音。激光加工,要在头发丝粗的零件上做一个齿轮,头发丝只有50微米,要在这个上面做一个扁平齿轮,一般的机械手段是达不到的,只能用激光。

光纤加激光改变了人们的生活,每家互联网的接入都是由光纤传输的,所以现在可以和世界各个地方联系。光纤作为光的载体,它的应用发展都要依赖于激光,光纤里藏的不是电流,是光,这个光就是激光。现在的光纤通信、光纤传输比以前的电磁波通信要快得多,因为光的传播速度快,每秒30万公里的速度在传输。举个简单的例子,上世纪90年代初,从国外打电话回来,话筒中能听到自己的回音,但现在只要手机在手,打到世界各个角落都很清晰。

光纤传感技术可以对楼宇、桥梁等大型建筑的形变,以及大型变电站温度的变化进行实时精密检测。怎么用光纤测大型建筑物有没有发生形变呢?在建设过程中,将光纤埋入混凝土中,通路相当于血管,通过光纤把激光打进去,通过一定的传感技术,就知道哪个地方有微量的形变,可以马上检测出来。国外的摩天大楼,楼的基底都埋有光纤传感器,将光纤直接浇筑到水泥柱里,可以实时监测水泥柱的形变。这就是激光加光纤的应用。

此外,利用多股光纤制作而成的光缆已经铺遍全球,成为互联网、全球通信网络的基石;光纤在医学上也获得了广泛的应用,诸如胃镜等内窥镜可以让医生看见患者体内的情况;光纤传感技术与系统还在工业上获得大量应用,在各类生产制造和机械加工等方面大显身手。

激光在航空航天上的应用

空航天发展上,激光的用武之地不容小觑。在探月工程中,嫦娥奔月要先得到月球的三维地图,这个时候就用到了激光,用激光进行测距,得到一张精度很高的月球地貌图,为下一步奔月作了贡献。玉兔要在月球着陆,在月球表面着陆的平台上有一个激光

测量着陆器和月球表面的距离,从而平稳降落。

随着信息的高速发展,很多都需要借助网络。去年我国发射的“墨子号”卫星,这是中国第一颗,也是世界第一颗上天的量子卫星。有人肯定会问,量子跟激光又有什么关系呢?“量子通信指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,具有高效率和绝对安全等特点。但是一切量子通信网络中都必须采用激光技术”,华灯鑫博士说。量子是能表现出某种物质或物理量特性的最小单元,“光的量子”(光子)是一定频率的光的基本能量单位。经典通信较光量子通信相比,其安全性和高效性都无法与之相提并论。安全性-量子通信绝不会“泄密”,其一体现在量子加密的密钥是随机的,即使被窃取者截获,也无法得到正确的密钥,因此无法破解信息;其二,分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子,其中一个粒子的量子态发生变化,另外一方的量子态就会随之立刻变化,并且根据量子理论,宏观的任何观察和干扰,都会立刻改变量子态,引起其坍塌,因此窃取者由于干扰而得到的信息已经破坏,并非原有信息。因此,量子通信可以实现绝对保密通信。

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