激光技術在傳統產業中的應用
激光器是20世紀與原子能、半導體、計算機齊名的四項重大發明之一。30多年來，以激光器為基礎的激光技術得到了迅速發展，現已廣泛應用到工農業生產、能源動力、通信及信息處理、醫療衛生、軍事、文化藝術以及科學技術研究等各個領域，是現代人類利用科學技術知識，將幾百萬年以來人們已司空見慣的光進行轉化利用，在很短的時間內創造出巨大經濟效益的典型事例。激光技術是正在改變傳統產業麵貌的高技術。
特殊性能的光源
1960年，人工製造光源曆史上出現輝煌的一章：製成一種特殊性能的光源——激光器。它與普通光源相比，具有許多優異性能，歸納起來是亮度高、單色性和方向性強。
1.光源
光，我們每天接觸，時刻用著。有光，我們才可以看見周圍的物體，才享受到五彩繽紛的景色；有光，生物才能發育生長。光還幫助我們了解世界，認識自然。遙遠的星體的麵目和物質成分，主要就是靠這些星體發射來的光帶給我們的信息才為我們所了解。著名物理學家伽利略說過：“光是唯一的來自其他星球的信使”。1609年，伽利略發明了天文望遠鏡，並利用他那台放大倍數隻有30倍的望遠鏡，發現了月亮上的環山，窺見了無數的恒星，還發現了木星的四顆衛星。原子世界的內部結構，也是通過研究它發射的光輻射而得到的。
光是如此的普通，又是如此的重要。所以，我們的祖先很早便開始研究光，也很早就開始製造發光的光源。在北京周口店的考古發掘中，發現了四五十萬年前猿人用火照明時留下厚厚的灰燼堆積物。火把不耐燒，也不夠明亮。後來發現沾有油脂的樹枝燃燒時發出的光比較明亮，也耐燒得多，於是便發明了用燈草一類植物纖維浸在油裏的油燈和蠟燭。以後又利用天然石油點燈(石油燈)，用從石油中提煉出的煤油點燈(煤油燈)。1879年，美國發明家愛迪生用碳絲裝在抽成真空的玻璃泡裏，製成了世界上第一批可供實用的碳絲白熾燈。這以後，電光源獲得迅速發展。各種各樣的電光源，比如日光燈、鈉燈、碳弧燈、汞燈、脈衝氙燈相繼問世，它們的發光亮度一種比一種高，脈衝氙燈的發光亮度比太陽大約高10倍。然而，還能造出亮度更高的光源嗎?科學家從大量研究結果認識到，如沿現有技術路線，不改進光源結構，即使采用新的發光物質，要大幅度提高光源亮度是不太可能的。要獲得更高亮度的光源，得另辟途徑。在1960年，人們終於製成了以新的發光機構——受激發射躍遷為主體的光源，這就是激光器。
2.特殊光源
激光器也是一種光源，但它和普通光源相比，具有以下幾個特殊性質：
(1)定向發光。
普通光源是向四麵八方發光，它有一點亮就把周圍照亮。要讓發的光朝一個方向傳播，需要給光源裝上一些聚光裝置。汽車的車前燈及探照燈就是裝了反光鏡，把朝各個方向傳播的光輻射彙集起來往一個方向傳播，大大增大了有效照射距離。激光器不需要安置燈罩之類聚光鏡，天生就是隻朝一個方向發射光，而且光束發散度極小，大約隻有1×10-3弧度，如果把光束再通過望遠鏡發射出去，發散度還可以減小到10-5到10-6弧度，稱得上是嚴格的平行光束了。
(2)亮度極高。
絕大多數普通光源發的光都不及太陽光亮，在太陽光底下，彩燈顯示不出它們的絢麗多姿，迷人的焰火也黯然失色，顯不出它的魅力。激光不同凡響，激光器發出的激光亮度比太陽光高千億倍。相比之下，太陽光就黯然失色了。
(3)顏色極純。
無論生活上或在工業生產、科學研究中常常都需要單種顏色的光。用各種單色光裝飾的舞台、商店門麵，會顯得更富麗堂皇，光彩照人。化學工業中，有單種顏色的光協助，可以提高生產量和改善產品的質量；對農作物采用適當顏色的光照射，可以提高它們的收成；研究物質結構時更需要單種顏色光。發射單種顏色光的光源稱為單色光源。常見的氖燈、氪燈、氬燈、氫燈等光源發的光看上去是一種顏色，但實際上並非真正隻有一種顏色。比如氪燈，它發的光呈紅色，但裏麵包含的紅色有幾十種，有經驗的印染工人、彩印工人，可以分辨出一二十種不同的紅色。激光器輸出的光，其顏色極純，是紅光就差不多隻是一種紅色。科學上是利用光輻射的波長(或頻率)分布的區間來評價光色的單純性(或單色性)的。光輻射的波長分布的區間越窄，單色性越好。太陽光的波長覆蓋從紫外至紅外整個波段，所以它談不上單色性。常用的單色光源氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等，單色性最好的是氪燈，它發的紅光分布的波長範圍隻有0.000095納米，被譽為單色性之冠。激光器的單色性比這個單色性之冠還好許多倍。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布範圍可以窄到2×10-9納米，是氪燈發射的紅光波長分布範圍的五萬分之一。
(4)閃光時間可以極短。
在生產和科學研究中，也常常需要閃光時間(激光技術中稱為光脈衝寬度)很短的光源，利用它可以幫助我們了解變化非常迅速的過程。比如光合作用過程，時間間隔往往隻有皮秒(1皮秒＝10-12秒)量級，而在過程中每一步經曆的時間就更短了。化學反應過程也有類似情況，從反應開始至結束，中間每一步時間間隔也都非常短暫。有閃光時間短的光源，便可以利用光譜技術深入了解瞬變過程的每一步，以達到更好地控製過程的進行方向，提高生產效率。普通光源的閃光時間做不短，照相用的閃光燈，閃光時間是千分之一秒左右。脈衝激光的閃光時間很短，現在可達到6飛秒(1飛秒＝10-15秒)。
此外，激光器還有這樣的特點：輸出的光波長(光頻率)可以極穩定。按現在技術水平，頻率相對變化量Δν／ν(稱為光頻率非穩定度，其中ν是光頻率的平均值，Δν是頻率變動數量)可以達到10-14。如果用這種激光器做時鍾，計時準確度可達10-14，或者說，經曆100萬年才差1秒。
3.激光的產生
為了獲得激光，各國科學家進行了廣泛研究，其中獲得突出成就的有美國科學家C.H.湯斯和A.L.肖洛。1958年他們在《物理學評論》雜誌上發現了題為“紅外和光學激射器”的論文，指出了製成激光器的可能性和主要條件：在光源中，處在高能級的發光原子數目比在低能級的原子數目多。這個條件又稱能級粒子數反轉。光是原子從高能級往低能級躍遷時產生的，有兩種原因可以引起原子作這種躍遷：一種是原子內部運動狀態變化引起的，稱為自發輻射躍遷；另一種是由外來的光子誘導下發生的，稱為受激輻射躍遷，產生出來的輻射稱為受激輻射。這種輻射有一個非常顯著的特點，即它的頻率、偏振方向、傳播方向均和誘導原子發生受激輻射躍遷的光子相同。很顯然，如果光源中的發光原子大都作受激輻射躍遷，那麼，光源發的光基本上就是朝一個方向傳播，而且差不多隻有一種光頻率。如果處在高能源的原子數目，比處在低能源的還多，那麼，光源中的發光原子作受激輻射躍遷將占優勢。這就是說，光源發射激光而不是普通光的關鍵是，裏麵的發光原子在高能級的數目比在低能級的多。然而，按自然規律，在低能級的原子數目總是比在高能級的多。直到1960年，人們才從技術上解決了使其數目分布出現“顛倒”的問題，誕生了激光器。
4.激光器的結構
激光器基本上由以下三部分組成：
(1)工作物質。
這是發射激光的材料，其功能和普通光源中的發光材料(比如氣體電光源中的氣體，白熾燈中的鎢絲)相同。從原則上說，任何光學透明的固體、氣體、液體都可以作激光器的工作物質。不過，如果所用的材料其原子能級結構滿足一些要求，會使激光器獲得更好的性能，比如，能量轉換效率高，輸出的激光功率高；可以脈衝泵浦輸出激光，也可連續泵浦輸出激光；輸出的激光波長可以連續變化等。
(2)泵浦源。
這是向工作物質輸入能量，把原子從基態泵浦至高能級的能源。常用的泵浦源有：普通光源(比如氙燈、氪燈)；氣體放電(利用氣體放電中產生的電子碰撞氣體原子，把它泵浦至高能級)；電子束；化學反應能(化學激光器就是利用化學反應的能量泵浦產物的原子)等。
(3)諧振腔。
這是由放置在工作物質兩端的反射鏡組成的光學係統，其中一塊反射鏡的反射率接近100%，另一塊有適量的透過率，激光是從這塊反射鏡輸出來。諧振腔的作用主要有兩個方麵：一個是讓工作物質產生的受激輻射來回多次通過工作物質，增強受激輻射強度，最後達到激光振蕩；另一個是有選擇地隻讓沿工作物質光軸附近傳播的以及波長在原子譜線中心附近的受激輻射不斷地受到工作物質放大，達到激光振蕩。顯然，這有助於改善激光器的方向性和單色性。
5.第一台激光器問世
世界第一台激光器是1960年美國休斯研究實驗室的T.梅曼研製的。他采用剛玉中摻入鉻離子(下麵稱這種晶體為紅寶石)的晶體作工作物質。梅曼當年選用這種材料時也曾猶豫過。當時有的論文指出，不能指望用紅寶石晶體作激光器的工作物質，理由是按它的能級結構和特性，需要的泵浦強度太高，技術上不容易達到。還有的論文指出，紅寶石的發光量子效率很低，隻有1%左右。因而梅曼也曾考慮采用堿金屬蒸氣作工作物質，但分析對比後發現用這種蒸氣作工作物質遇到的困難會更大。梅曼在研製微波激射器時用過紅寶石晶體，對它的光學特性多少有些了解，所以，他決定先用紅寶石晶體試一試，從中了解一下對工作物質的具體要求，再和搞材料的科學家合作，研製新的工作物質。
他重新測量了紅寶石晶體的量子效率，結果發現不是文獻上說的1%，而是高達75%(後來的實驗還可達到100%)。他又分析了使紅寶石晶體達到能級粒子數反轉的條件，發現隻要有等價於5000K黑體輻射光源泵浦就能實現能級粒子數反轉，而氙燈的色溫可以達到8000K。所以，技術上完全可以做到。經過這些分析，梅曼堅定地選擇了紅寶石晶體作他的第一台激光器的工作物質。
世界第一台激光器所用的泵浦源——脈衝氙燈是螺旋形，紅寶石棒直徑1厘米，長2厘米，它剛好可以套入螺旋氙燈。在紅寶石兩端鍍銀膜，構成諧振腔。輸出的光波長是694.3納米(紅色)。國外科學家把這台特殊光源稱做Laser(激光)。
我國第一台激光器是1961年9月在中國科學院長春光學精密機械研究所製成的，使用的工作物質也是紅寶石晶體，直徑0.5厘米，長3厘米。所用的泵浦源是直管式脈衝氙燈，不是螺旋式氙燈。設計者認為，用直管式氙燈泵浦工作物質可以得到與用螺旋氙燈相同的泵浦效率，但製造工藝更為簡單。
激光技術與能源開發
(一)激光分離同位素
電是國民經濟發展的命脈，日常生活，工農業生產，科學研究都離不開電。隨著社會經濟的發展，電的消耗量越來越大。而電又是一種利用其他能源轉化而成的所謂的“二次能源”，就是說，電是用消耗其他能源的形式來轉化而成的。而核電站所消耗的能源，就是放射性元素——鈾235。
1.原子彈與核電站
第二次世界大戰末期，美國於1949年將綽號為“小男孩”和“胖子”的兩顆原子彈，分別投到了日本廣島、長崎兩座城市上空，給這兩個城市和居發造成了巨大破壞和傷亡，威力超過了曆史上任何一種武器，以至今天人們還談核色變。
猶如其他科學技術一樣，原子能技術也具有為惡和為善的“雙刃劍”作用。自從出現了原子彈以後，就有人設想將巨大的核能用於造福人類。愛因斯坦有一個著名的質能關係公式：能量＝質量×光速的平方(即：E＝MC2)，所以，極少的質量就可以轉化為極大的能量。例如，1克質量的鈾所具有的能量，足夠一盞1000瓦的電燈點燃2850年，或相當燃燒2000噸汽油。1公斤鈾完全分裂所產生的能量，相當於2萬噸梯恩梯炸藥爆炸時所放出的能量。
基於上述原理，人們研究出了利用核能發電的技術。盡管前蘇聯的切爾諾貝利和美國三裏島核電站等發生了事故，引起了一陣恐慌，但在傳統能源麵臨枯竭的脅迫和核技術不斷完善的引誘下，各國還是選擇了核電站這一目前唯一可緩解能源危機的道路。
2.鈾家族與核燃料
核電站用的燃料是鈾，但鈾家族中有相貌相似的三兄弟：其中原子質量是238的，稱為鈾—238；原子質量是235的，稱為鈾—235；還有一種原子質量為234的，稱為鈾—234。在物理學中，把這種含有相同電荷數，而質量數不同的原子核，稱為同位素。這三兄弟中，隻有鈾—235才能做核電站的燃料，偏偏自然界中鈾—235的含量很少。在開采出來的鈾礦中，鈾—238占了99.28%；鈾234占0.01%；鈾—235隻占0.71%。在鈾燃料中，鈾238和鈾—234就成了“雜質”，這就需要提純。隻要把鈾—235從其他同位素中分離出來，使其在總數中占到3%以上，就可以送到核電站去做燃料了。
3.激光與同位素的分離
人們為了把鈾—235的含量從原來的0.71%提高到3.2%，想了許多辦法，其中氣體擴散法和離心法是比較成功的方法。但這兩種方法的技術和設備都比較複雜，成本非常高。如造一座氣體擴散鈾燃料生產廠，得投資30億元，耗電達200萬千瓦，要經過上千道工序，生產出來的鈾比黃金還貴。離心法則是利用其質量的不同，進行重力篩選，同樣成本都很高。
由於不同的同位素的原子或者分子的能級結構有十分微小的差異，所以激光出現以後，人們就利用其優異的單色性，對不同的同位素進行選擇性的激發，達到分離的目的。自1970年世界上首次用氟化氫氣體激光器成功地分離了氫同位素以來，用激光法分離其他多種同位素也獲得了成功，被譽為是“第二代濃縮法”。
用激光技術把同位素鈾—238與鈾—235分離開來，從而實現提純鈾燃料的具體步驟是：首先把鈾礦石采用局部加熱等方法使之變成蒸氣，然後利用鈾—235和鈾—238在某些光譜線上的微小差異，用適當波長的激光，分步選擇激發鈾—235並使之電離，而不激發鈾—238，使鈾—238保持中性。然後讓這種鈾蒸氣流過電場。被電離了的同位素鈾—235在通過電場時，便被電場的負極吸引過去。其餘的兩種同位素鈾—238和鈾—234沒有發生電離，不會在電場發生偏轉，繼續沿氣流方向流出電場。聚集在電場負極附近的鈾—235離子，在這裏俘獲了電子之後還原成原子。這樣一來，我們便可以在陰極附近收集到含鈾—235的量比較高的鈾燃料了。
(二)激光核聚變
用鈾—235做燃料的核電站，一個難以解決的問題就是放射性廢棄物的處理十分困難。而且，地球上的鈾礦資源畢竟有限的。但麵對人們日益增長的對電力的需求，眼下又不能不這樣做。能不能找到一種比現有核電站更“幹淨”、效率更高、比鈾更豐富的能源供應的發電方法，就成為擺在一代人麵前的一個重大課題。而激光核聚變技術，就很可能就是解決這一課題的一把鑰匙。
1.氫彈炸出的一個天地
作為一種武器來講，往往希望它的威力大，材料易得，成本低廉。所以在原子彈以巨大的威力震撼了世界以後，武器專家們所探討的問題就是：是否能製成威力比原子彈還要大的核武器?
1952年11月1日，美國爆炸了世界上第一顆氫彈，爆炸力相當於1千萬噸梯恩梯炸藥，等於500顆在廣島、長崎投下原子彈的當量。1954年3月1日，美國在太平洋上的比基尼島上爆炸了一顆被稱為“氫鈾彈”的氫彈，它所產生的威力相當於1500萬噸梯恩梯炸藥。同時也使人們看到了熱核聚變反應所潛在的巨大能量。
原來，除了重核分裂能釋放巨大的能量以外，輕核聚合成較重的核，也能放出巨大的能量。例如，由4個氫核合成氦核，就會釋放出28兆電子伏特的能量。這種合成原子核的反應，就叫做聚變反應。”
氫的三種同位素中，最普通的叫做氕(H1)，水就是由它和氧組成的。但它最難發生聚變，這是因為它的核隻有一個質子，沒有中子。
重氫又叫H2，它的核中有一個質子和一個中子，質量數是2，通常被稱為氘，用英文字母“D”代表。
超重氫又叫H3，它的核中有一個質子和2個中子，質量數是3，通常叫做氚，用英文字母“T”代表。
因為氘和氚比氫容易發生聚變，所以被選中做核聚變的材料。在自然界中，氘的含量很豐富。氘存在於數量巨大的海水中。經過計算可知，1升海水所含的氘聚變後所放出的能量，大致相當於燃燒300升汽油。1克氘所產生的能量，可達350兆焦耳，相當於1萬升石油燃燒所放出的能量。在海洋裏大約含有35萬億噸氘，這些氘的聚變反應所放出的能量，可以供人類使用一、二百億年!
氘燃料的優越性不僅表現在它的蘊藏量極其豐富，而且不用鑽井，不用開礦，提取十分方便。製氘比製鈾的成本要低得多。
2.勞森條件與激光壓縮
氘既然宜於核聚變，而且有許多鈾所不能比擬的優點，為什麼人們遲遲不能利用呢?這不得不從核聚變所需的條件談起。
由於原子核帶正電，核與核之間有靜電庫侖斥力，不易靠近，所以必須設法克服庫侖斥力，才可能發生聚變反應。通常的氫彈爆炸，就是利用裝在它裏麵一顆小原子彈作為引信，在原子彈爆炸的瞬間產生的幾千萬度的高溫，使聚變燃料核的熱運動能增大而解決的。點燃核聚變反應所需的高溫，通常叫做“點火溫度”，由於這個溫度為幾千萬度到1億度以上，所以通常把核聚變反應稱之為熱核聚變。
聚變反應點火後，要想使它順利地“燃料”下去，就必須有兩個條件：一是核燃料一定要達到規定的密度，二是要將該密度維持到足夠的時間。若滿足不了一定的密度，即使反應點燃了也可能“滅”火。而密度維持的時間太短則反應也維持不下去。著名的核物理學家勞森提出，要使聚變反應維持下去，核燃料的密度和維持該密度的約束時間的乘積應大於1014秒/厘米3，即著名的“勞森條件”。由此條件可見，若密度低了，約束的時間就要長；反過來約束的時間短了，密度就要提高。