激光技術(shù)總結(jié)歸納一、激光技術(shù)概述

激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，受激輻射光放大）是一種具有高度相干性、方向性和高亮度的光輻射技術(shù)。自1960年第一臺(tái)激光器誕生以來(lái)，激光技術(shù)在科研、工業(yè)、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本篇文檔將從激光的基本原理、分類、應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)等方面進(jìn)行總結(jié)歸納。

二、激光的基本原理

激光的產(chǎn)生基于受激輻射現(xiàn)象。當(dāng)光子通過原子或分子時(shí)，會(huì)引發(fā)原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，并釋放出與入射光子頻率、相位、方向完全一致的光子。通過光學(xué)諧振腔的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)光子的持續(xù)放大和輸出。

（一）激光產(chǎn)生的核心步驟

1.能級(jí)躍遷：原子處于高能級(jí)狀態(tài)。

2.受激輻射：入射光子引發(fā)高能級(jí)原子躍遷至低能級(jí)，并釋放出光子。

3.光學(xué)諧振腔：利用反射鏡實(shí)現(xiàn)光子在腔內(nèi)多次反射，增強(qiáng)光子數(shù)量。

4.光子輸出：通過輸出耦合鏡將激光束導(dǎo)出。

（二）激光器的主要組成部分

1.能源：提供激發(fā)原子或分子的能量（如電泵浦、化學(xué)泵浦）。

2.激活介質(zhì)：實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷的物質(zhì)（如氣體、液體、固體）。

3.光學(xué)諧振腔：增強(qiáng)光子密度的反射鏡系統(tǒng)。

4.輸出耦合鏡：控制激光輸出功率。

三、激光的分類

根據(jù)輸出波長(zhǎng)、諧振腔結(jié)構(gòu)及工作物質(zhì)的不同，激光器可分為多種類型。

（一）按波長(zhǎng)分類

1.紅外激光：波長(zhǎng)超過1微米，用于光纖通信、熱成像等。

2.可見光激光：波長(zhǎng)在400納米至700納米之間，應(yīng)用于激光切割、激光筆等。

3.紫外激光：波長(zhǎng)低于400納米，用于微加工、熒光檢測(cè)等。

（二）按工作物質(zhì)分類

1.固體激光器：如紅寶石激光器、Nd:YAG激光器，輸出功率高，穩(wěn)定性好。

2.氣體激光器：如氦氖激光器、二氧化碳激光器，常用于激光測(cè)量、激光焊接。

3.液體激光器：如染料激光器，波長(zhǎng)可調(diào)諧，用于光譜分析。

4.半導(dǎo)體激光器：如激光二極管，體積小、功耗低，廣泛應(yīng)用于光通信、激光打印。

（三）按輸出方式分類

1.連續(xù)激光器：輸出穩(wěn)定的光束，適用于工業(yè)加工。

2.脈沖激光器：短時(shí)間高功率輸出，用于激光打標(biāo)、激光測(cè)距。

四、激光技術(shù)的應(yīng)用

激光技術(shù)憑借其高精度、高效率等優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（一）工業(yè)應(yīng)用

1.激光切割：利用高能量激光束切割金屬、非金屬材料，精度可達(dá)0.1毫米。

2.激光焊接：高能量密度實(shí)現(xiàn)快速焊接，適用于航空航天、汽車制造。

3.激光打標(biāo)：通過激光束在材料表面形成永久性標(biāo)記，用于產(chǎn)品溯源。

（二）醫(yī)療應(yīng)用

1.激光手術(shù)：如激光刀、激光角膜手術(shù)，具有微創(chuàng)、止血效果好的特點(diǎn)。

2.激光美容：如激光去斑、激光嫩膚，利用激光選擇性光熱效應(yīng)改善皮膚問題。

（三）科研與通信

1.激光光譜：用于物質(zhì)成分分析、化學(xué)反應(yīng)研究。

2.光纖通信：利用激光作為信息載體，傳輸速率可達(dá)Tbps級(jí)別。

五、激光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著材料科學(xué)、電子技術(shù)的進(jìn)步，激光技術(shù)未來(lái)將向更高功率、更高精度、更低成本方向發(fā)展。

（一）新型激光材料

1.石墨烯激光器：具有超快響應(yīng)速度、高效率等特點(diǎn)。

2.二維材料激光器：如過渡金屬硫化物，可tunable波長(zhǎng)范圍廣。

（二）智能化應(yīng)用

1.激光加工機(jī)器人：結(jié)合機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工。

2.激光雷達(dá)（LiDAR）：用于自動(dòng)駕駛、地形測(cè)繪。

（三）綠色化發(fā)展

1.低能耗激光器：減少能源浪費(fèi)，如量子級(jí)聯(lián)激光器。

2.可再生能源泵浦：如光纖激光器利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)。

六、總結(jié)

激光技術(shù)作為現(xiàn)代科技的重要組成部分，其原理、分類及應(yīng)用不斷拓展。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，激光將在更多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和社會(huì)發(fā)展。

一、激光技術(shù)概述

激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，受激輻射光放大）是一種具有高度相干性（光波相位一致）、方向性（光束發(fā)散角小）和高亮度（功率密度大）的電磁波輻射技術(shù)。其亮度遠(yuǎn)超普通光源，如太陽(yáng)光或白熾燈，能量高度集中在特定方向和波長(zhǎng)上。自1960年美國(guó)科學(xué)家查爾斯·湯斯（CharlesTownes）和亞瑟·肖洛（ArthurSchawlow）提出激光原理，并由西奧多·梅曼（TheodoreMaiman）首次實(shí)現(xiàn)紅寶石激光器輸出以來(lái)，激光技術(shù)經(jīng)歷了飛速發(fā)展，已滲透到科研、工業(yè)、醫(yī)療、通信、軍事（非敏感應(yīng)用）、教育及日常生活中。本篇文檔將從激光的基本原理、關(guān)鍵參數(shù)、主要分類、詳細(xì)應(yīng)用、系統(tǒng)搭建、操作安全及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等方面進(jìn)行更深入、更具操作性的總結(jié)歸納。

二、激光的基本原理

激光的產(chǎn)生基于受激輻射放大機(jī)制。要理解激光原理，需掌握原子能級(jí)、受激輻射、光學(xué)諧振腔等核心概念。

（一）原子能級(jí)與躍遷

1.能級(jí)結(jié)構(gòu)：原子核外的電子只能在特定的能量水平（能級(jí)）上運(yùn)動(dòng)。通常，基態(tài)（最低能級(jí)）穩(wěn)定，激發(fā)態(tài)（較高能級(jí)）不穩(wěn)定。激光工作物質(zhì)需具備顯著的能級(jí)差，以便存儲(chǔ)和釋放能量。

*示例：典型的Nd:YAG激光器，其激活離子（Nd3?）在晶體中主要有兩個(gè)與激光輸出相關(guān)的能級(jí)：上能級(jí)（E?，約10500cm?1）和下能級(jí)（E?，約10000cm?1），之間的能量差約4.3eV。

2.能級(jí)躍遷：電子可通過吸收光子、受到粒子碰撞或外部能源激發(fā)（如電泵浦、光泵浦）從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)（激發(fā)）。相反，電子也能自發(fā)地或受激地從高能級(jí)躍遷回低能級(jí)，并釋放能量。

*自發(fā)輻射：電子隨機(jī)躍遷，釋放的光子方向、相位、偏振態(tài)均無(wú)規(guī)，是非相干的。

*受激輻射：一個(gè)外來(lái)光子（頻率恰好等于能級(jí)差）照射到處于高能級(jí)的電子時(shí)，誘導(dǎo)其躍遷到低能級(jí)，同時(shí)釋放一個(gè)與外來(lái)光子完全相同（頻率、相位、方向、偏振態(tài)）的光子。

（二）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

1.熱平衡狀態(tài)：在未激發(fā)時(shí)，原子系統(tǒng)處于熱平衡，低能級(jí)上的粒子數(shù)遠(yuǎn)多于高能級(jí)。

2.反轉(zhuǎn)條件：要產(chǎn)生激光，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即高能級(jí)上的粒子數(shù)超過低能級(jí)上的粒子數(shù)（N?>N?）。

3.實(shí)現(xiàn)方法：通過外部能源（泵浦源）持續(xù)地將粒子從低能級(jí)泵浦到高能級(jí)。常用的泵浦方式包括：

*電泵浦：利用電流通過工作物質(zhì)，使粒子受激（如氣體激光器、半導(dǎo)體激光器）。

*光泵浦：利用特定波長(zhǎng)的強(qiáng)光照射工作物質(zhì)，使粒子受激（如固體激光器、液體激光器）。

*化學(xué)泵浦：通過化學(xué)反應(yīng)釋放能量，激發(fā)粒子（較少見）。

4.泵浦效率：泵浦過程并非完全有效，部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能或其他非相干輻射，因此需要選擇合適的泵浦方式和參數(shù)。

（三）光學(xué)諧振腔與光放大

1.結(jié)構(gòu)：由兩個(gè)反射鏡構(gòu)成，其中一個(gè)（或兩個(gè)）為部分透射的輸出耦合鏡。一個(gè)反射鏡高度反射（接近100%），另一個(gè)部分透射（如90%-99%）。

2.光子振蕩：泵浦產(chǎn)生的受激輻射光子，在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射。每次通過激活介質(zhì)時(shí)，都會(huì)誘導(dǎo)更多的受激輻射，使光子對(duì)數(shù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)（光放大）。

3.諧振條件：只有頻率滿足特定條件（光子在腔內(nèi)傳播距離為波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即2L=mλ，L為腔長(zhǎng)，m為整數(shù)）的光束能夠穩(wěn)定振蕩并不斷增強(qiáng)。其他頻率的光會(huì)被迅速耗散。

4.輸出激光：部分透射鏡允許滿足諧振條件的光束以較高強(qiáng)度輸出，形成我們觀察到的激光。

三、激光的關(guān)鍵參數(shù)與特性

激光器性能通過一系列參數(shù)衡量，這些參數(shù)定義了激光束的質(zhì)量和適用性。

（一）輸出功率/能量

1.輸出功率（P）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)激光輸出的平均功率，單位瓦特（W）。連續(xù)激光器常用，脈沖激光器常用峰值功率（P_peak）。

2.脈沖能量（E）：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖激光輸出的總能量，單位焦耳（J）。

*計(jì)算關(guān)系：E=P_peak×t_pulse（t_pulse為脈沖寬度）。

3.應(yīng)用關(guān)聯(lián)：

*低功率（mW-W）：激光指示、激光測(cè)距（LiDAR）、部分醫(yī)療應(yīng)用。

*中等功率（幾W-幾百W）：工業(yè)切割、焊接、打標(biāo)。

*高功率（千瓦-兆瓦）：大型材料加工、激光武器（非敏感應(yīng)用）、科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

（二）光束質(zhì)量

1.模式：激光束在諧振腔內(nèi)的振蕩模式?；＃═EM??）光束質(zhì)量最高，呈高斯分布，束腰最小，發(fā)散角最小。高階模能量分散，光束質(zhì)量差。

2.橫模參數(shù)（M2）：衡量實(shí)際激光束與理想高斯光束的偏差程度，是評(píng)價(jià)光束質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。

*M2=1：理想高斯光束。

*M2>1：實(shí)際光束，發(fā)散角比理想光束大。M2越接近1，光束質(zhì)量越好。

3.發(fā)散角（θ）：激光束腰半徑隨距離擴(kuò)展的角度。

*近場(chǎng)發(fā)散角θ?：束腰之后光束開始顯著擴(kuò)散的角度。

*遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角θ<0xE2><0x82><0x9B>：光強(qiáng)衰減到初始值一半時(shí)對(duì)應(yīng)的角度。

*計(jì)算（理想高斯光束）：θ≈1.22λ/D（λ為波長(zhǎng)，D為束腰直徑）。

4.應(yīng)用關(guān)聯(lián)：精密加工、光通信（要求低發(fā)散角、小光斑）、激光掃描（要求高斯分布）需要高光束質(zhì)量；某些材料去除工藝可能允許或需要更高發(fā)散角。

（三）波長(zhǎng)與譜線寬度

1.波長(zhǎng)（λ）：激光的電磁波波長(zhǎng)，單位納米（nm）或微米（μm）。不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同應(yīng)用：

*紅外：1-10μm，用于光纖通信（中紅外）、熱成像、某些化學(xué)激光。

*可見光：400-700nm，人眼可見，用于激光顯示、照明、切割、打標(biāo)、手術(shù)。

*紫外：10nm-400nm，用于材料表面處理、微加工、熒光分析、激光化學(xué)。

2.譜線寬度（Δλ或Δν）：激光譜線的寬度，表示激光頻率或波長(zhǎng)的離散程度，單位納米（nm）或赫茲（Hz）。

*理想激光：?jiǎn)晤l線（Δλ≈0）。

*實(shí)際激光：由于原子能級(jí)寬度和多普勒效應(yīng)等因素，譜線有一定寬度。

*單色性：譜線寬度越窄，單色性越好。

3.應(yīng)用關(guān)聯(lián)：精密光譜學(xué)、光通信（減少色散）、激光干涉測(cè)量要求高單色性（窄譜線寬度）；某些寬譜線激光（如Nd:YAG脈沖）用于非接觸式測(cè)量或需要寬光譜吸收的場(chǎng)合。

（四）光束方向性與相干性

1.方向性：激光束在傳播遠(yuǎn)距離時(shí)擴(kuò)散角小，光束能量集中在特定方向，用發(fā)散角衡量。方向性遠(yuǎn)優(yōu)于普通光源。

2.相干性：

*時(shí)間相干性：指光波在時(shí)間上的相干程度，與譜線寬度相關(guān)（譜線越窄，時(shí)間相干性越好）。

*空間相干性：指光波在空間上的相干程度，與光束橫截面內(nèi)相位關(guān)系相關(guān)（束腰越小，空間相干性越好）。

3.應(yīng)用關(guān)聯(lián)：相干性是激光區(qū)別于普通光源的核心特征。高相干性用于干涉測(cè)量、全息照相、光外差探測(cè)；方向性和相干性結(jié)合用于激光雷達(dá)、激光測(cè)距。

四、激光技術(shù)的詳細(xì)應(yīng)用

激光技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛，以下按主要領(lǐng)域展開，并給出更具體的操作或應(yīng)用要點(diǎn)。

（一）工業(yè)制造領(lǐng)域

1.激光切割：

*原理：利用高功率密度的激光束熔化、氣化或燒蝕材料，并借助輔助氣體吹走熔融物，形成切縫。

*類型：

*CO?激光切割：波長(zhǎng)10.6μm，對(duì)多種材料（金屬、非金屬、復(fù)合材料）有效，尤其適用于板材切割，非接觸式，熱影響區(qū)小。

*氬離子（Ar?）激光切割：波長(zhǎng)488/514nm，精度高，適用于切割金屬薄片、半導(dǎo)體晶片。

*氮?dú)猓∟?）激光切割：波長(zhǎng)337nm，紫外激光，熱影響區(qū)極小，切割邊緣質(zhì)量好，適用于熱敏材料、塑料、復(fù)合材料。

*Nd:YAG激光切割：波長(zhǎng)1064nm，中紅外激光，功率高，適用于厚金屬切割。

*操作要點(diǎn)：

*設(shè)備：需要激光切割機(jī)、導(dǎo)軌系統(tǒng)、切割頭（含聚焦鏡）、輔助氣體（如氧氣、氮?dú)狻⒖諝猓┫到y(tǒng)。

*調(diào)諧：根據(jù)材料選擇激光器類型和功率。

*聚焦：精確調(diào)整切割頭與板材的距離，獲得最佳切縫寬度和切割速度。

*參數(shù)：優(yōu)化輔助氣體壓力、流量、切割速度，以達(dá)到最佳切割效果和效率。

2.激光焊接：

*原理：利用激光束聚焦在焊件接縫處，快速加熱至熔化或塑性狀態(tài)，通過加壓或自動(dòng)凝固形成焊縫?？煞譃榻佑|焊接和非接觸焊接。

*類型：

*對(duì)接焊：工件直接接觸。

*堆焊：在基材表面熔敷材料。

*釬焊：使用釬料連接工件。

*應(yīng)用：精密電子元件焊盤連接、汽車零部件連接、醫(yī)療器械制造、航空航天結(jié)構(gòu)件連接。

*操作要點(diǎn)：

*設(shè)備：激光焊接機(jī)、夾具、保護(hù)氣系統(tǒng)（防止氧化）。

*對(duì)準(zhǔn)：精確對(duì)準(zhǔn)焊縫，保證能量集中。

*參數(shù)：控制激光功率、焊接速度、保護(hù)氣體流量，避免飛濺和氣孔。

3.激光打標(biāo)：

*原理：利用高能量密度的激光束在材料表面產(chǎn)生物理或化學(xué)變化（燒蝕、發(fā)泡、顏色變化），形成永久性標(biāo)記。

*類型：

*燒蝕型：去除表面材料（如CO?激光、紫外激光）。

*滲透型：利用能量使材料表面熔融、變色（如Nd:YAG激光）。

*發(fā)泡型：利用能量產(chǎn)生氣體，使表面發(fā)泡（如光纖激光）。

*應(yīng)用：產(chǎn)品序列號(hào)、LOGO、批號(hào)標(biāo)記，防偽，零部件識(shí)別。

*操作要點(diǎn)：

*設(shè)備：激光打標(biāo)機(jī)、控制軟件、不同類型的打標(biāo)頭（取決于打標(biāo)原理和材料）。

*參數(shù)：調(diào)整激光功率、掃描速度、頻率、脈沖寬度等，適應(yīng)不同材料和標(biāo)記要求。

*預(yù)設(shè)：使用軟件預(yù)設(shè)標(biāo)記內(nèi)容和位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化打標(biāo)。

（二）醫(yī)療健康領(lǐng)域

1.激光手術(shù)：

*原理：利用激光刀的精確熱效應(yīng)（汽化、凝固）進(jìn)行組織切割、分離、凝固止血。

*應(yīng)用：

*眼科手術(shù)：如LASIK（飛秒激光輔助準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)）、PRK（準(zhǔn)分子激光角膜切削術(shù)）、白內(nèi)障手術(shù)（飛秒激光輔助）。

*耳鼻喉科：精細(xì)切割、止血。

*口腔科：軟組織切割、硬組織（牙釉質(zhì)）打磨。

*外科：皮膚腫瘤切除、血管病變治療、內(nèi)窺鏡下手術(shù)。

*設(shè)備：激光手術(shù)系統(tǒng)（包含激光器、光纖、手術(shù)手柄）、監(jiān)護(hù)設(shè)備。

*安全：需要嚴(yán)格的眼部防護(hù)、組織匹配參數(shù)選擇（避免過度損傷）。

2.激光美容：

*原理：利用激光的選擇性光熱效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)，針對(duì)不同皮膚問題進(jìn)行處理。

*應(yīng)用：

*面部年輕化：如激光磨皮（去除表層皮膚）、射頻熱瑪吉（利用激光或射頻產(chǎn)生熱效應(yīng)刺激膠原再生，非純激光）。

*色斑治療：利用特定波長(zhǎng)的激光選擇性地破壞黑色素細(xì)胞（如Q-switched激光、皮秒激光）。

*痤瘡治療：利用激光殺滅痤瘡丙酸桿菌、減輕炎癥。

*色素沉著治療：改善褐青色痣、太田痣等。

*設(shè)備：專業(yè)美容激光設(shè)備（如點(diǎn)陣激光、染料激光、皮秒激光）。

*注意：需由專業(yè)人員進(jìn)行操作，評(píng)估皮膚類型和問題，設(shè)置合適參數(shù)，并進(jìn)行術(shù)后護(hù)理。

（三）科研與測(cè)量領(lǐng)域

1.激光光譜學(xué)：

*原理：利用激光作為光源，通過分析物質(zhì)對(duì)激光的吸收、發(fā)射、散射等特性，研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)過程。

*技術(shù)：

*吸收光譜：測(cè)量物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)激光的吸收程度，用于定性和定量分析。

*原子吸收光譜（AAS）：利用高溫火焰或電熱石墨爐使原子激發(fā)，測(cè)量其吸收譜線。

*分子吸收光譜（如傅里葉變換紅外光譜FTIR）：利用分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷，進(jìn)行有機(jī)物、無(wú)機(jī)物分析。

*熒光光譜：測(cè)量物質(zhì)吸收激發(fā)光后發(fā)射的熒光，用于痕量分析、生物標(biāo)記。

*拉曼光譜：測(cè)量物質(zhì)受激光照射后散射光頻率的偏移，提供分子振動(dòng)信息，用于物質(zhì)識(shí)別、成分分析。

*應(yīng)用：化學(xué)成分分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物大分子結(jié)構(gòu)研究、材料表征。

2.激光測(cè)距（LiDAR-LightDetectionandRanging）：

*原理：向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，測(cè)量脈沖往返所需時(shí)間（飛行時(shí)間Time-of-Flight,ToF），根據(jù)光速計(jì)算出目標(biāo)距離。

*類型：

*固態(tài)LiDAR：使用半導(dǎo)體激光器、雪崩光電二極管（APD）或光電倍增管（PMT）。

*機(jī)械掃描LiDAR：通過旋轉(zhuǎn)的反射鏡掃描激光束，配合多個(gè)接收通道或掃描合成全視場(chǎng)。

*固態(tài)掃描LiDAR：使用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）微鏡或聲光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光束掃描。

*應(yīng)用：地形測(cè)繪、自動(dòng)駕駛車輛環(huán)境感知、機(jī)器人導(dǎo)航、考古勘探、氣象探測(cè)。

*優(yōu)點(diǎn)：精度高、速度快、可獲取目標(biāo)三維信息。

（四）通信與信息技術(shù)領(lǐng)域

1.光纖通信：

*原理：利用激光作為信息載體，通過光纖傳輸信號(hào)。激光的高相干性、高亮度、低色散使其成為理想的光源。

*系統(tǒng)：包括激光發(fā)射器、光纖傳輸線路、光檢測(cè)器（光電二極管等）和信號(hào)處理系統(tǒng)。

*優(yōu)勢(shì)：傳輸速率高（可達(dá)Tbps甚至Pbps級(jí)別）、帶寬寬、抗電磁干擾、信號(hào)衰減小、能耗相對(duì)較低。

*應(yīng)用：長(zhǎng)途電話通信、互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)。

2.激光顯示：

*技術(shù)：

*激光電視：利用激光掃描產(chǎn)生圖像，色彩鮮艷、對(duì)比度高、亮度高。

*激光投影：使用激光作為光源的投影儀，亮度高、色域廣、壽命長(zhǎng)。

*激光顯示面板：如激光電視面板、激光投影面板，利用激光直接或間接發(fā)光。

*應(yīng)用：家庭影院、公共顯示、便攜式投影設(shè)備。

（五）其他應(yīng)用領(lǐng)域

1.激光雷達(dá)（LiDAR）的更多應(yīng)用：林業(yè)資源調(diào)查（樹高、冠層密度）、城市規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)（橋梁變形）、氣象學(xué)（風(fēng)場(chǎng)、云層探測(cè)）。

2.激光加工：如激光鉆孔（微孔加工）、激光清洗（去除表面污垢或涂層）、激光增材制造（激光熔融沉積）。

3.教育與演示：激光演示儀（演示干涉、衍射、偏振等光學(xué)原理）。

五、激光系統(tǒng)的搭建與基本操作（以實(shí)驗(yàn)室小型Nd:YAG激光器為例）

（一）搭建步驟

1.**環(huán)境準(zhǔn)備**：

*選擇穩(wěn)定、干燥、無(wú)強(qiáng)電磁干擾的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

*考慮激光安全，設(shè)置操作區(qū)域，配備必要的激光防護(hù)屏和觀察窗。

2.**連接能源**：

*連接Nd:YAG激光器電源，確保電壓、電流符合設(shè)備要求。

*連接泵浦電源（通常是直流電源或射頻電源），連接至激光器的泵浦輸入端。

3.**安裝光學(xué)元件**：

***諧振腔反射鏡**：將高反射率（HR）鏡和部分透射（OC）鏡安裝在激光器指定的光腔接口處，注意反射鏡的通光面方向和偏振方向（如果需要）。

***聚焦鏡**：根據(jù)所需光斑大小和距離，選擇合適焦距的球面或非球面透鏡，安裝在激光束路徑上。

***掃描/準(zhǔn)直系統(tǒng)（可選）**：根據(jù)需要，可加入準(zhǔn)直鏡組或激光掃描振鏡。

4.**連接輸出與探測(cè)（可選）**：

***輸出光束**：在輸出端安裝衰減片（控制輸出功率）和光纖耦合器（連接光纖）或直接出光。

***光束質(zhì)量/功率測(cè)量**：

*功率計(jì)：使用與激光波長(zhǎng)匹配的探測(cè)器（如硅光二極管、光電二極管）和功率計(jì)，測(cè)量輸出功率。

*光束質(zhì)量測(cè)試儀（M2測(cè)量）：使用針孔法、扇形光斑法等配合自動(dòng)測(cè)量軟件，測(cè)量光束質(zhì)量M2參數(shù)。

5.**安全檢查**：

*確認(rèn)所有連接牢固，無(wú)短路風(fēng)險(xiǎn)。

*檢查防護(hù)眼鏡或窗口是否安裝正確，且防護(hù)等級(jí)符合激光輸出波長(zhǎng)和功率。

6.**初步啟動(dòng)與調(diào)試**：

*按照設(shè)備手冊(cè)順序開啟泵浦電源、激光器電源。

*觀察激光器內(nèi)部是否有異常光斑或聲音。

*調(diào)整諧振腔軸向長(zhǎng)度（如有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)），嘗試起振（可能需要示波器監(jiān)測(cè)輸出）。

*調(diào)整輸出功率（使用衰減片）。

（二）基本操作要點(diǎn)

1.**安全操作守則**：

***必須佩戴合適的安全防護(hù)眼鏡**，其防護(hù)波段和T等級(jí)必須高于激光器輸出波長(zhǎng)和預(yù)期功率。

*避免直接觀看激光束或其反射。

*操作時(shí)盡量通過觀察窗或反射鏡間接觀察。

*保持安全距離，設(shè)置警示標(biāo)識(shí)。

*了解緊急停機(jī)按鈕位置。

2.**參數(shù)設(shè)置與調(diào)節(jié)**：

*根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，使用激光器控制面板或外接控制卡設(shè)置所需的工作模式（連續(xù)波CW或脈沖）、泵浦電流、激光輸出能量/功率。

*調(diào)整聚焦鏡位置，獲得最細(xì)或所需直徑的光斑。

3.**日常維護(hù)**：

*定期清潔光學(xué)元件表面（使用專用鏡頭紙和清潔劑）。

*檢查電源和連接線狀態(tài)。

*按照手冊(cè)要求進(jìn)行校準(zhǔn)。

六、激光技術(shù)的安全注意事項(xiàng)

激光束具有高能量和高度相干性，可能對(duì)人體眼睛和皮膚造成嚴(yán)重傷害，甚至導(dǎo)致永久性損傷。對(duì)環(huán)境和設(shè)備也存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（一）眼損傷風(fēng)險(xiǎn)與防護(hù)

1.**損傷類型**：

***熱損傷**：高能量激光束直接照射視網(wǎng)膜，導(dǎo)致燒傷或黃斑損傷，可能瞬間失明。

***爆破性損傷**：激光照射透明介質(zhì)（如玻璃、水面、冰塊）時(shí)，能量瞬間集中可能產(chǎn)生沖擊波，擊碎介質(zhì)并傷及眼睛。

***散射性損傷**：由漫反射面（如地面、工作臺(tái)）散射的激光進(jìn)入眼睛，雖然能量較低，但長(zhǎng)時(shí)間或高亮度照射仍可造成傷害。

2.**防護(hù)措施**：

***工程控制**：

*設(shè)置激光安全區(qū)域，限制無(wú)關(guān)人員進(jìn)入。

*使用激光防護(hù)屏、簾或光閘（Interlock）自動(dòng)阻擋激光束。

*優(yōu)化光路設(shè)計(jì)，盡量減少激光束傳播路徑。

*在激光器輸出端安裝輸出耦合鏡，限制直接輸出功率。

***個(gè)人防護(hù)（PPE）**：

***佩戴合適的激光防護(hù)眼鏡**：必須根據(jù)激光的波長(zhǎng)、輸出功率/能量、發(fā)散角選擇防護(hù)等級(jí)（T等級(jí)）和材料（如玻璃、塑料）。

*穿戴防護(hù)服、手套（根據(jù)操作需要）。

***管理措施**：

*進(jìn)行激光安全培訓(xùn)，了解風(fēng)險(xiǎn)和防護(hù)知識(shí)。

*制定并執(zhí)行激光安全操作規(guī)程。

*進(jìn)行激光風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定安全操作等級(jí)。

*對(duì)激光工作場(chǎng)所進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

（二）皮膚損傷風(fēng)險(xiǎn)與防護(hù)

1.**損傷類型**：高功率激光可導(dǎo)致皮膚灼傷、汽化，甚至深層組織損傷。

2.**防護(hù)措施**：

*避免直接皮膚接觸高功率激光束。

*在必要時(shí)，穿戴防護(hù)服裝或使用隔熱材料。

*保持工作區(qū)域清潔，防止意外反射。

（三）其他安全注意事項(xiàng)

1.**激光器維護(hù)**：維護(hù)或修理激光器前，必須將其完全斷電，并采取“鎖定/掛牌”（Lockout/Tagout,LOTO）程序，確保能源隔離。

2.**高壓危險(xiǎn)**：泵浦電源（特別是射頻電源）可能存在高壓危險(xiǎn)。

3.**化學(xué)安全**：某些激光器（如化學(xué)激光器）使用危險(xiǎn)化學(xué)品，需遵守化學(xué)品安全規(guī)定。

4.**輻射安全**：關(guān)注激光器產(chǎn)生的中紅外、紫外輻射，必要時(shí)采取防護(hù)措施。

七、激光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與展望

激光技術(shù)正朝著更高功率、更高亮度、更高效率、更短波長(zhǎng)、更窄線寬、更好相干性、智能化、綠色化等方向發(fā)展。

（一）新型激光材料與器件

1.**二維材料激光器**：如石墨烯、過渡金屬硫化物（TMDs），具有優(yōu)異的光學(xué)特性（