激光切割、雕刻技術前景
世界上激光器問世是在1960年6月,中國第一臺激光器出來是在1961年9月,相差十五六個月。實際上激光器的出現經過很長的 醞釀時期。今天追溯起來,激光的起源在理論上歸功于1916年愛 因斯坦提出的感應輻射概念。
自從第一臺激光器出現以后,He-Ne激光器就在那一年的年 末做出來了,比固體激光器只晚了幾個月。從此以后,各種形式、各種功率的激光器就像雨后春筍般地發展起來。可以說形成了光學的一個新時代。
我們長春光機所的一些年輕人,也是在1958年出現激光器理論原型的時候,就想這個問題。聽到激光器問世這個消息,我們馬上就動起來,只花了一年多一點的時間就做出自己的激光器。
激光器的蓬勃發展,不但使激光科學本身有強大的進展,而 且在應用方面也打開了廣闊的領域。我國在這方面每個時期都做 了許多工作。現在,實驗方面、應用方面、技術方面都形成了一定的隊伍和力量。我說“一定”,應當說跟國際上的前沿有一定的差距,但也有突出的地方。我們培養出一大批學術帶頭人,其中被選為兩院院士的大約十七八人。
從科技發展來看,激光有它的革命意義。自從激光出來以后,我們認識到所有無線電里面出現的現象在光學里面都能出現。在這個基礎上就形成了所謂的非線性光學。過去我們搞光學,由于光源不夠強,在光與物質的相互作用上只見到它的線性效應。自從激光出來以后,它與物質相互作用遠超過線性范圍,這對了解物質的性質前進了一大步,更能夠了解到物質結構中場同電磁輻射作用的關系。因此,激光的長足發展也形成了一些在物理上看起來是新的學科,有些學科是跟光學密切結合起來的。比如全息術、激光光譜學。因為激光的特性,對物質研究的細致程度、深入與以前大大不同了。激光是一種光,用于研究光譜學的問題當然有很大的發展。特別是非線性材料,從激光應用方面提出了各種不同的要求,向材料科學提出了許多新的問題,更重要的是探索許多新的非線性材料。我國這方面在世界上有很高的地位。
在應用方面,激光涉及到物理學最根本的一個問題就是量測的基準。自從激光出來以后,能得到非常窄的光譜線。現在的長度基準是以在某種條件下出來的單純的激光譜線作為工作基準。長度單位1米的定義是光在真空中1秒所走的距離的299792458分之一。這是個絕對的定義。這個絕對定義所以能形成,它本身也是從激光的研究認清楚了這是自然界的一個常數。
自從用激光測距以后,整個測量技術發生了改變。今天通過空間的測量(人衛測距),可以更好地了解地球的重力等勢面的形狀,大大改善了地球重力場模型。激光測量技術使全球范圍的定位精度大為提高。
激光這樣強的光是一個很好的能源。一個問題是怎么產生這個能源,另一個問題是怎么利用好這個能源。現在這種激光前沿技術稱為“強激光技術”。利用強激光來照射原子核,從原子核中把原子能釋放出來。這項技術叫激光核聚變。這種核反應將來可能作為能源。現在在這方面做了大量的先期研究工作。
另一個發展方向就是可以把激光脈沖變得很窄。為了捕捉一個物體的快速運動,要用高速照相。普通高速照相達到千分之一秒,而像核反應這種過程,起碼要到微秒(10-6秒)甚至納秒(10-9秒)數量級。假設要研究光與物質相互作用的話,原子與原子之間、分子與原子之間的快速反應,則要到皮秒(10-12秒)數量級。今天還在追求使脈沖變得更短,追求飛秒(10-15秒)量級。這是人類探求的一種欲望,要使脈沖短到可以觀測微觀物質運動的中間過程。所以超短脈沖激光器也是一個重要的發展方向。從這里我們可以看到激光對推進認識世界所起的作用。
既然激光可以做到千瓦以至兆瓦,自然就想到武器的問題、加工的問題。現在知道,激光作為有距離的殺傷武器,起碼一個脈沖要百萬焦耳以上。在工業方面,如激光用于熱處理,最典型的是激光用在汽車發動機汽缸內表面的熱處理。只要用激光使汽缸表面形成一個硬化的網子,就可以延長它的壽命一倍以上。正因為激光能增強材料壽命,使物質改性,所以需要形成激光工。
在醫學方面,如治療視網膜脫落,過去是很麻煩的事,用激光焊接就很方便。利用不同波長激光與物質相互作用的選擇性,也可以起治療作用。激光手術也是很有前途的。
全息術給我們一個很大的啟示。普通照相只利用光的強度,能看見圖像的輪廓和強度的區別。全息術不光是記錄光的強度,而且能把光束的波前記錄下來,正是由于波前再現才能獲得立體圖像。這方面加上許多新的工業和技術,特別是同光電技術的發展結合,在光學上形成了一門光學信息處理的新學科。今天實際上在信息處理上有許多問題借助光學的原理。
今天,我國倡導科教興國、可持續發展的戰略。像激光這樣的現代技術將發揮極其重要的作用。這十幾年來,我國已將激光列入高技術計劃,今后這項工作不但要列入863計劃,也還要列入973計劃。激光給我們預備了很好的前景,使我們有機會來從事創新工作。特別是年輕一代,要看到這方面的前景,努力創新,必將大有可為。