1.3 激光应用简介

由于激光所具有的优异特性，已经在军事、工业、商业、科技、生活、医疗等各领域中得到越来越广泛的应用。本节仅对激光的应用进行归纳和简要介绍，并将在本书的第11～13章中对激光在通信、信息以及其他领域的应用进行详细。

1.激光在通信领域的应用

现代社会中，人们需要传递的信息量越来越大，对通信的质量要求也越来越高。由于无线电通信容量小、保密性差，越来越不能满足社会发展的需要，而用激光进行通信成为人类通信史上的重大突破。利用激光进行通信方式有光纤通信和空间光通信两种。

光纤通信与以往的通信技术相比，具有4个显著特点：

（1）通信容量大。激光可用的频率范围为1×107～1×108MHz，比微波频率高10～100万倍，一束激光可容纳100亿路电话。如果全球人口按60亿计算，则全世界的人同时利用一束激光进行通信还绰绰有余。理论上，一支激光束可以携带此时此刻全世界所有人和计算机之间来回传送的信息。

（2）通信质量高。激光通信可以实现声音清晰地通电话，准确无误地传输数据，色彩逼真地传递图像。抗干扰性强，信噪比高，失真度小。

（3）保密性好。由于激光几乎是一束平行而准直的细线，在空间传播时发散角极小，加之用以传输信息的激光大多是不可见的红外光，所以想截获激光非常困难。

（4）成本低。制造光纤的原料是地球上取之不尽的石英，只要几克石英就能制出一千米长的光纤。因而用光纤代替普通金属导线可以节约大量宝贵的有色金属铜和铝。光纤的传输损耗低，因此中继站距离长。一般同轴电缆，每隔3km就要设一个中继站，而光纤通信的中继站，距离可超出30km，因此采用光纤通信的投资可以大大降低。

如今光纤通信已经成为信息社会的神经系统。

高速、长距离激光空间通信也已经实现，可用于地面上点对点的通信、飞机对飞机的通信、宇宙飞船之间的通信，以及它们之间的混合应用等。由于激光空间通信采用的是低功率激光器，能在自由空间高速率传输数据，无需铺设电缆或光纤，不易被中断和窃听，所以特别适用于军事和航空领域应用，如无人驾驶飞机、低轨道卫星间协调等。

2.激光在信息领域的应用

激光在信息领域的应用，除了以激光为信息载体将声音、图像、数据等各种信息进行传输的激光通信之外，还包括通过激光将信息进行存储，以及通过激光将信息打印或显示出来，等等。

激光存储技术是光学、光电子学和计算机技术的一个重要交叉领域。由于激光的相干性极好，可以将光束聚焦到直径只有0.6μm左右的焦斑上，使处于焦点微小区域内的记录介质受高功率密度光的烧灼而形成小孔，被烧蚀的小孔表示二进制的“1”，而未烧蚀处为“0”。这样，受到存储信息调制的光束在记录介质上产生光化学作用，记录下相应的信息，形成“1”和“0”等一系列编码就是信息的写入记录过程。激光存储中用于记录介质的基片称为光盘。由于光盘存储的信息容量大，保存时间长，已成为最重要的一种存储介质，广泛用于存储电子百科全书、计算机软件、音乐、MTV、电影和游戏等。

利用激光束聚焦性及扫描性好的特点，可将激光用于商品条形码扫描仪，广泛用于超市、商场等商业领域。

激光扫描和激光控制技术的发展，促进了激光打印技术的发展。激光打印机是综合了激光扫描技术和电子照相技术的一种非打击式打印机。计算机的输出信号对激光器的输出进行调制，带有字符和图形信息的激光束在涂有光导材料并均匀带电的鼓面上扫描，使光照部分电荷消失，未照部分电荷保留，即是曝光。再经过显影使光照部分吸附墨粉形成图像。经过定影、转让，就在纸上得到清晰的输出。品质较好的打印机的打印速度可达每分钟200页以上。与其他类型的打印机相比，激光打印机有着较为显著的几个优点，包括打印速度快、打印品质好、工作噪声小等。

3.激光在工业领域的应用

激光的高单色和高亮度，使它成为精密计量的一种十分有效的工具。又由于激光单色性好、发散角小，能够在透镜的焦点处聚焦成高功率的光斑，高功率激光集中在物体上的某一点，便可对被物体进行高温加热、切断、焊接及熔覆等加工。激光还可以对材料进行非接触式处理或探测。因为没有表面接触，不会产生由探测射线所引起的污染，也不会引起器具边缘的磨损，而扫描性好的特点又使其可在大面积范围内进行工作。

因此，激光技术已经广泛应用在工业领域的各个部门。例如，高功率激光被用来切割、钻孔或焊接钢铁，用高功率激光器作为切割、焊接的材料处理工艺，在汽车制造行业中已经成为常规方法；激光传感器用来实时检测化学处理过程；在半导体工业中采用光刻工艺来制造集成电路；在建筑工业中用激光来进行对准和控制，等等。

根据功能的不同，激光在工业中的应用可分为两大类：一是执行制造工艺，即光直接与产品相作用，以改变其物理性质，如光刻或材料处理；二是控制制造工艺，即用激光来提供有关制造过程的信息，或用来检验制造的产品，如激光计量技术可以控制关键尺寸及布局或定位。

4.激光在生物医学领域的应用

激光技术为生物学研究提供了新的思路和手段，为医学诊断提供了新的方法，为疾病治疗提供了新方式。

从激光基因测序到激光显微镜，激光技术的进步极大地推进了生物学基础研究。激光问世不久就进入细胞遗传学领域，利用激光可聚焦成微米或纳米级光斑的特点，可以进行显微细胞外科手术、测量人体DNA分布、基因转移、DNA裁剪和基因定位、促进DNA合成、细胞融合等。在酶工程和发酵工程等生物技术中，激光也得到了重要应用。

1961年，首次将红宝石激光用于眼科的视网膜凝固治疗，从此开始了激光在医学临床的应用。现在，激光技术已经为心脏病、癌症、肾结石、眼科、妇科、牙科、皮肤科等疾病提供了新疗法，由此对许多人的生命产生影响。利用激光和光纤，通过微损伤疗法取代开腔式外科手术，形成了治病的无损伤途径。作为外科应用，聚焦的激光束（常用CO2激光器发出的红外光）被组织中的水分子强烈吸收，并使这些水分子快速蒸发，就可以将这些组织切除，这样的激光束被称为激光手术刀。激光在医学领域的应用大致可分为诊断和治疗两大类。

在现代生活中，激光还广泛应用于美容外科。例如，激光治疗系统利用皮肤中不同颜色的组织对激光波长的选择吸收的特点，在基本不破坏正常组织的情况下，对皮肤中的黑色素在极短的瞬间用极高峰值的脉冲激光进行照射，使之发生迅速的热膨胀和粉碎，最后由吞噬细胞运走并排出体外，疤痕和色斑就会慢慢消失。

现在，在世界各国，差不多所有的中等规模以上的医院都不同程度地拥有各种类型的激光医疗设备。全世界每年研究、生产的激光设备中，用于生命科学领域的数量最大、品种最多。

5.激光在国防科技领域的应用

激光因其高功率和好的光束质量，在国防科技领域应用很广，是未来高科技战争中不可缺少的技术。新技术在国防领域起着根本性作用，激光的出现，使光学系统成为全新的各类国防应用的基础，将再次改变战争的进行方式。目前，激光在国防系统中的应用已与电子学和微波处于同一水平，而且已经成为国防领域至关重要的全新系统与系统概念的核心。

当1960年世界上首台激光器问世时，随即开始发展激光武器，激光武器目前已逐渐实现实战阶段应用。激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本上可以分为三个主要部分：追踪、寻的系统（即正确判定攻击目标的位置和性质的系统）；发射实施摧毁性打击的高能激光系统；辅助的控制和通信系统。

激光武器是利用高能量密度激光束替代常规子弹的新型武器，是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之后又一个重要的里程碑。这类武器以光束作战的迅速反应能力，以外科手术式杀伤的高效作战方式，以及特别适于反卫星和破坏敌方信息系统等阻止敌方获取信息的能力，使其成为适应信息化高技术战争的新一代主战兵器。目前发展和正在逐步投入部署的各种激光武器系统，用在战略和战术导弹防御、巡航导弹防御、反卫星、高分辨率图像、防空、舰船防御、地面作战和近距离支援以及飞机自卫等各个方面。图1-9所示为利用激光武器摧毁洲际弹道导弹的示意图。

除了激光武器之外，还有激光侦察（如激光测距、激光通信、激光雷达）、激光制导、激光陀螺、激光对抗等技术，都在现代战争中发挥着及其重要的作用。激光测距与坦克、大炮相结合构成的火控系统，首发命中率大大提高，已成为军队必备的武器装备。激光雷达与微波雷达相比，由于激光束方向性好，它的测量精度远优于微波雷达，距离精度可达厘米量级，角度精度可达万分之一度，甚至更小。利用激光制导炸弹攻击重要的点状目标，其命中率远高于常规的炮击和轰炸，费效比大为提高，图1-10所示为激光制导炸弹轰炸目标坦克的示意图。

6.激光在科学技术前沿问题中的应用

今天许多的实际技术是源于数年前或几十年前所做的基础科学研究，同样，现在对于激光在科学技术前沿问题中的研究和应用，潜藏着今后巨大的社会利益。

光谱分析是研究物质结构的重要手段，激光技术与经典光谱学相结合形成的激光光谱学，具有频率、空间和时间上的高分辩率，可以进一步揭示物质的微观结构，如原子能级的精细结构、高量子态的能级结构、分子的各种密集的振转谱带结构等；揭示物理、化学、生物学等宏观现象的微观动力学过程，如量子跃迁、能量转移、电子转移、输运与涨落、化学反应中间过程等瞬态行为。在天文学上，认为“大爆炸”或宇宙后留下的“外来”原子也可以用激光光谱研究，并且检验那些难以捉摸的亚原子，如中微子等。对这些问题的研究有助于解答宇宙是怎么诞生的，它由什么组成，以及它怎样表示等基础科学问题。

激光诱导的惯性约束核聚变是产生可控核聚变的一种途径。利用高功率激光照射聚变燃料，使之发生聚变反应，并人为地控制反应速度，使热核聚变按照需要缓慢而均匀地进行，连续地将聚变能量转换为热能和电能，从而建成热核动力反应堆和热核电站，是激光技术和核技术联合开发研究的热点。激光核聚变可以为人类找到一种用不完的清洁能源，可以研制真正的“干净”核武器，而且可以部分代替核试验。因此，激光核聚变在民用和军事上都具有十分重要的意义。

激光束照亮了超微世界，它呈现的超快或超窄脉冲（时间域）帮助人们了解微观世界中的原子、分子结构。在微小的原子水准，事件的发生都在10-9～10-12s时间尺度内，现在可以利用超短激光脉冲在飞秒（10-15s）的时间尺度测出所发生的事件。超短（或超窄）脉冲被用于半导体材料中电子移动速度和发动机中燃烧化学过程研究。它不仅提供了激励光的测量，同时还提供皮秒时间刻度的测量分辨率。用超短脉冲构造的开关器件使计算机、通信仪器和其他半导体器件速度大大提高、体积明显减小。

激光已经开始用于探测和控制原子、分子和微小粒子的速度和位置，激光冷却和原子捕陷的研究在科学上有很重要的意义。现在，气相原子可以用激光冷却到微开温度，这时它们的速度为1cm/s的量级，原子一旦被冷却后就比较容易被操纵。被冷却的超冷原子为物理学的研究开辟了广阔的研究方向，特别是为原子分子物理、原子频率、非线性光学和量子统计物理等领域提出了新的研究对象。同时，激光冷却技术也为这些领域也提供了最新的研究工具。

激光可以作为光学镊子应用于分子生物学领域中对微生物、染色体、细胞等微粒的操作。利用激光操纵微粒技术，可以非接触非破坏地对细胞和细胞小器官或生物分子聚合体进行捕捉和操作，从而做到以往机械操作方法所得不到的操作性和自由度。目前已经应用在细胞的选择识别、鞭毛的顺从性的测定，以及通过微小管输送细胞小器官时产生的力的测定上。若利用紫外光至可见光的激光，则可成为局部切断细胞组织的激光手术刀，或者是在细胞膜上开出引起细胞融合所需孔的激光钻头。

激光化学也是激光的重要应用领域，无论在研究所还是在工业界，化学产品要达到成功，必须做到两件事情：理解所用到的物质的化学结构；而且能够高速产生化学变化。在这两个方面，激光都能起到至关重要的作用。