激光在生活中的应用

激光在生活中的应用

摘要：本文介绍了几种激光的发展以及现阶段达到的成果等，以及在生活中的应用，如在医学生的应用、工业上的应用、在军事上的应用等。

关键词:激光焊接激光切割激光打孔加工微型仪器激光玻璃激光传感器激光冷却激光美容激光去除面部黑痣激光除皱激光切除肿瘤激光雷达激光测距仪激光制导激光侦察对抗激光武器

大家对于激光这个词并不陌生。激光唱机、激光视盘所提供的听觉享受，全息照片给与我们的三维视觉效果，以及“死光”武器、星球大战计划都是人们津津乐道的话题。但激光到底是什么东西？它是怎样产生的？它又有什么样的性质?这恐怕就没有多少人了解了。下面，我们一起来全面的了解一下激光。

一：什么是激光

激光镭射最初的中文名叫做“雷射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激辐射光扩大”。激光镭射的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程，激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激辐射”改称“激光”。

二：激光的基本特性：

1. 受激吸收（简称吸收）

处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。

2. 自发辐射

粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。

3. 受激辐射、激光

1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，

处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率。

4、定向发光

普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。天文学家相信，外星人或许正使用闪烁的激光作为一种宇宙灯塔来尝试与地球进行联系。

5、亮度极高

在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。

6、颜色极纯

光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。

7、能量极大

光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。

8、其他特性

激光有很多特性：首先，激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。

三：激光在工业中的应用：

1、激光焊接：

汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。

2、激光切割：

汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。

3、激光打孔：

激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。光通讯光通信设备光纤光ODN 信激光激光红外激光设备。

4、加工微型仪器：

激光在电子工业中得到广泛应用。可以用它来进行微型仪器的精密加工，可以对脆弱易碎的半导体材料进行精细的划片，也可以用来调整微型电阻的阻值。随着激光器性能的改善和新型激光器的出现，激光在超大规模集成电路方面的应用已经成为许多其他工艺所无法取代的关键性技艺，为超大规模集成电路的发展展现出令人鼓舞的前景。激光的出现引发了印刷工业中的一场革命。

5、激光玻璃

激光玻璃是一种以玻璃为基质的固体激光材料。它广泛应用于各类型固体激光光器中，并成为高功率和高能量激光器的主要激光材料。

激光玻璃由基质玻璃和激活离子两部分组成。激光玻璃各种物理化学性质主要由基质玻璃决定，而它的光谱性质则主要由激活离子决定。但是基质玻璃与激活离子彼此间互相作用，所以激活离子对激光玻璃的物理化学性质有一定的影响，而基质玻璃对它的光谱性质的影响有时还是相当重要的。

6、激光传感器

激光传感器（laser transducer）利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。激光是最准的尺。

7、激光冷却

激光冷却（laser cooling）利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。这一重要技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数，用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标（原子钟），后来却成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法。激光冷却有许多应用，如：原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。

四：激光在医学上的应用：

1、激光美容

（1）激光在美容界的用途越来越广泛。色素沉着，如太田痣、鲜红斑痣、雀斑、老年斑、毛细血管扩张等，以及去纹身、洗眼线、洗眉、治疗瘢痕等；而2013年以前一些新型的激光仪，高能超脉冲CO2激光，铒激光进行除皱、磨皮换肤、治疗打鼾，美白牙齿等等，取得了良好的疗效，为激光外科开辟越来越广阔的领域。

（2）激光手术有传统手术无法比拟的优越性。首先激光手术不需要住院治疗，手术切口小，术中不出血，创伤轻，无瘢痕。例如：眼袋的治疗传统手术法存在着由于剥离范围广、术中出血多，术后愈合慢，易形成瘢痕等缺点，而应用高能超脉冲CO2激光仪治疗眼袋，则以它术中不出血，不需缝合，不影响正常工作，手术部位水肿轻，恢复快，无瘢痕等优点，令传统手术无法比拟。而一些由于出血多而无法进行的内窥镜手术，则可由激光切割代替完成。（注：有一定的适应范围）

（3）激光在血管性皮肤病以及色素沉着的治疗中成效卓越。使用脉冲染料激光治疗鲜红斑痣，疗效显著，对周围组织损伤小，几乎不落疤。它的出现，成为鲜红斑痣治疗史上的一次革命，因为鲜红斑痣治疗史上，放射、冷冻、电灼、手术等方法，其瘢痕发生率均高，并常出现色素脱失或沉着。激光治疗血管性皮肤病是利用含氧血红蛋白对一定波长的激光选择性的吸收，而导致血管组织的高度破坏，其具有高度精确性与安全性，不会影响周围邻近组织。因此，激光治疗毛细血管扩张也是疗效显著。

（4）激光外科开创了医学美容的新纪元。高能超脉冲CO2激光磨皮换肤术开拓了美容外科的新技术。它利用高能量，极短脉冲的激光，使老化、损伤的皮肤组织瞬间被汽化，不伤及周围组织，治疗过程中几乎不出血，并可精确的控制作用深度。其效果得到国际医学整形美容界充分肯定，被誉为“开创了医学美容新纪元”；此外，更有高能超脉冲CO2激光仪治疗眼袋、打鼾、甚至激光美白牙齿等，以其安全精确的疗效，简便快捷的治疗在医学美容界创造了一个又一个奇迹。

2、激光去除面部黑痣

激光去黑痣的原理就在于将激光在瞬间爆发出的巨大能量置于色素组织中，把色素打碎并分解，使其可以被巨噬细胞吞并掉，而后会随着淋巴循环系统排出体外，由此达到将色素去去掉的目的。

激光去痣可以适用的痣的类型很多，比如包括上面提到的三种色素痣、太田痣、鲜红斑痣等，疗效都很明显，并且不容易留疤，风险性小。用二氧化碳激光亦能去黑痣。

3、激光除皱

激光除皱是通过电脑控制的、低能量的二氧化碳激光，能准确地控制汽化皮肤表层的深度，完成分层汽化、无碳化的面部除皱护肤技术。激光用于消除皱纹的技术，是激光技术应用于临床以后，并几经改进、完善与不断更新后的结果。

原理：皱纹产生的主要原因是皮肤胶原减少，真皮层变薄。运用最新激光-射频联合技术照射皮肤，可使真皮层增厚、减少皱纹，其原理是：刺激受损的胶原层，产生新的胶原质，从而填平因胶原减少而出现褶皱的皮肤；加热真皮组织层，利用人体自身修复机能刺激组织再生重建，使真皮层增厚。

合理设计的激光可以通过皮肤中的黑色素、血红蛋白，尤其是水吸收激光释放的能量，并产生光热效应使之转化为热量，从而激活真皮中成纤维细胞等各种基质细胞产生新生的胶原蛋白、弹性蛋白以及各种细胞间基质，并发生组织重构，就象是给慵懒的皮肤做运动一样，使其通过锻炼而重新焕发年轻活力。数次治疗之后的皮肤含水量及弹性增加，质地改善，细小皱纹减少。

高能超脉冲激光能够把周围组织的热损伤降到最低程度。微小皱纹和凹陷疤痕也可进行精确磨削。超脉冲激光能避免以往机械磨皮法、化学剥脱术出血多，飞溅的血液、组织细屑可使病毒在病人与病人间、病人与医务人员间传播等不足，通过气化病变组织来彻底消除皮肤损害，并使正常皮肤的热损伤极小，这一过程的作用时间快于使周围的正常组织也被加热的所需时间，具有磨皮去皱的功能。

4、激光切除肿瘤：

对于目前的不治之症--癌症，激光也提供了有效的武器。一方面，激光可以用作激光刀来切除肿瘤；另一方面，在癌症的早期诊断方面也卓有成效。癌症的早期诊断对于其治疗有着决定性意义。借助于激光能准确地确定肿瘤细胞和正常细胞，同时也提供了一个新的治疗途径。借助于一些特殊的化学物质，采用激光化疗法，能使这些特殊物质在激光作用下杀死肿瘤细胞，从而达到治疗癌症的目的。

五：激光在军事中的应用：

1、激光雷达（laser radar）：

激光雷达（laser radar）是指用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。

2、激光测距仪：

激光测距仪是激光在军事上应用的起点。60年代的越南战争和中东战争首先将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。雷达是二战中的产物，而激光雷达又给雷达发展指示新方向。相比于无线电雷达，由于激光发散角小，方向性好，因此其测量精度大幅度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在“盲区”，因此尤其适宜于对导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，激光雷达并不适宜在大范围内搜索，还只能作为无线电雷达的有力补足。

3、激光制导

激光制导具有投掷精度高、捕获目标灵活，导引头成本低、抗干扰性能好、操作简

单等优点。其主要制导方式有半主动制导、主动制导、波束制导。激光制导可同时攻击

多个来袭目标，即把激光信号经过编码以数个指示器分别控制数枚导弹，打击来袭目标。为提高激光制导全天候作战能力，各国都在研制先进的激光目标指示器，以保证昼夜作

战使用。目前激光制导技术的发展趋势：制导体制仍以半主动寻的制导和波束制导为主；发展高性能目标捕获跟踪和激光指示系统，提高武器系统的抗干扰能力和生存能力；开

发小型化激光雷达导引头，以实现"打了不管"能力的激光自主制导；CO2激光频段的制

导有取代YAG制导系统的趋势，特别是CO2雷达成像技术；发展双式多模制导系统等。各军事大国都已有大量激光制导武器装备部队，海湾战争再一次让我们见识了激光制导

的作用与威力。

4、激光侦察对抗

激光侦察在军事上占有十分重要的地位。利用激光技术进行多光谱摄影(全息摄影)，可以识别伪装目标。由于各种物体对各种光的吸收和反射能力不同，可以在底片上引起

不同感光反应而实现对目标的侦察。海湾战争中，美国利用这一技术，发现了伊拉克严

密伪装在树林里的坦克和导弹发射架。激光对抗可对激光测距进行欺骗，使其无法测定

其真实距离或使导弹改变弹道。激光对抗还可对激光进行干扰。

5、激光武器

激光最吸引人的军事应用当属于激光武器。由于强激光束具有很强的烧蚀作用，

因而可以破坏制导系统、引爆弹头和毁坏壳体、拦击制导炸弹、炮弹、导弹、卫星、飞机、巡航导弹和破坏雷达、通信系统等。激光摧毁卫星可由地面、空中和空间进行。激

光武器的威力强大，命中率极高，是真正意义上的"杀手锏"。科幻电影中的激光武器反

映了激光武器的远大前程。目前美国已研制出机载和车载激光武器。当激光能量不高时，主要使敌方人员致盲和使某些光电测量仪器的光敏元件受到破坏甚至失效，或可用来在

城市、森林大面积点火。著名的英－阿马岛战争中，英国就曾经使用了激光武器对付阿

方飞机，导致飞行员失明而机毁人亡。在反坦克、反潜艇中，激光致盲武器也有很大发

展潜力，对准潜望镜入口发射激光，就会把在用潜望镜观看外部情况的指挥员、驾驶员

的眼睛损伤，坦克和潜艇也就失去作战能力。侦察卫星靠装在其中的各种光电传感器侦

察地面目标，如果用激光束照射其中的光电传感器也会使侦察卫星变为"瞎子"。

目前全球业界公认的发展最快的、应用日趋广泛的最重要的高新技术就是光电技术。而在光电技术中，其基础技术之一就是激光技术。21世纪的激光技术与产业的发展将支撑并推进高速、宽带、海量的光通信以及网络通信，并将引发一场照明技术革命，小巧、可靠、寿命长、节能半导体(LED)将主导市场。光电技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步，激光产品已成为现代武器的"眼睛"和"神经"。激光的研究必将对相关领域进步起到巨大推动作用。

参考文献：

1、激光波长．宇测仪表仪器网

2、《临床激光治疗学》 > 第八章医用激光器的管理与安全防护

3、浅析：激光四个安全级别标准

4、NASA演示激光束传视频实验传速达每秒1000多兆

5、激光在军事上的应用（OFweek激光网）