激光在内科的应用研究论文

激光发展史激光以全新的姿态问世已二十余年。然而，发明激光器的历程却鲜为人知，至于发明者如何从事艰难曲折的探索，就更少人问津了。其实，每一项重大发明，都是科学家们智慧的结晶，里面包涵着他们的汗水和心血。自然，激光器的发明也不例外。 说得准确些，对激光的研究，只是到了20世纪50年代末才出现一个崭新阶段。在此之前，人们只对无线电波和微波有较深研究。科学家们把无线电波波长缩短到十米以内，使得世界性的通讯成为可能，那是30年代的事情。后来，随着速调管和空穴磁控管的发明，科学家便对厘米波的性质进行研究。二次世界大战中，由于射频和光谱学的发展，辐射波和原子只间的联系又重新被强调。大战期间，科学家们发明并研制了雷达（战争对雷达的制造起了推动的作用）。从技术本身来说，雷达是电磁波向超短波、微波发展的产物。大战以后，科学家又开创了微波波谱学，目的是探索光谱的微波范围并把其推广到更短的波长。当时，哥仑比亚大学有一个由汤斯（）领导的辐射实验小组，他们一直从事电磁方面以及毫米辐射波的研究。1951年，汤斯提出了微波激射器（Maser全称Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的概念。经过几年的努力，1954年汤斯和他的助手高顿（J. Cordon）、蔡格(H. Zeiger)发明了氨分子束微波激射器并使其正常运行。这为以后激光器的诞生奠定了基础。当时，汤斯希望微波激射器能产生波长为半毫米的微波，遗撼的是，激射器却输出波长为1。25cm的微波。微波激射器问世以后，科学家就希望能制造输出更短波长的激射器。汤斯认为可将微波推到红外区附近，甚至到可见光波段。1958年，肖洛（）与汤斯合作，率先发表了在可见光频段工作的激射器的设计方案和理论计算。这又将激光研究推上了一个新阶段。现在，人们都知道，产生激光要具备两个重要条件：一是粒子数反转；二是谐振腔。值得注意的是，自1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念以后，1940年前后就有人在研究气体放电实验中，观察到粒子反转现象。按当时的实验技术基础，就具备建立某种类型的激光器的条件。但为什么没能造出来呢？因为没有人，包括爱因斯坦本人没把受激辐射，粒子数反转，谐振腔联系在一起加以考虑。因而也把激光器的发明推迟了若干年。在研究激光器的过程中，应把引进谐振腔的功劳归于肖洛。肖洛长期从事光谱学研究。谐振腔的结构，就是从法——珀干涉仪那里得到启示的。正如肖洛自己所说：“我开始考虑光谐振器时，从两面彼此相向镜面的法——珀干涉仪结构着手研究，是很自然的。”实际上，干涉仪就是一种谐振器。肖洛在贝尔电话实验室的七年中，积累了大量数据，于1958年提出了有关激光的设想。几乎同时，许多实验室开始研究激光器的可能材料和方法，用固体作为工作物质的激光器的研究工作始于1958年。如肖洛所述：“我完全彻底地受到灌输，使我相信，可以在气体中做的任何事情，在固体中同样可以做，且在固体中做得更好些。因此，我开始探索、寻找固体激光器的材料…...”的确，不到一年，在1959年9月召开的第一次国际量子电子会议上，肖洛提出了用红宝石作为激光的工作物质。不久，肖洛又具体地描述了激光器的结构：“固体微波激射器的结构较为简单，实质上，它有一棒（红宝石），它的一端可作全反射，另一端几乎全反射，侧面作光抽运。”遗撼的是，肖洛没有得到足够的光能量使粒子数反转，因而没获成功。可喜的是，科学家迈曼（）巧妙地利用氙灯作光抽运，从而获得粒子数反转。于是，1960年6月，在Rochester大学，召开了一个有关光的相干性的会议，会议上，迈曼成功地操作了一台激光器。7月份，迈曼用红宝石制成的激光器被公布于众。至此，世界上第一台激光器宣告诞生。激光具有单色性，相干性等一系列极好的特性。从诞生那天开始，人们就预言了它的美好前景。20多年来，人们制造了输出各种不同波长的激光器，甚至是可调激光器。大功率激光器的研制成功，又开拓了新的领域。1977年出现的自由电子激光器，机制则完全不同，它的工作物质是具有极高能量的自由电子，人们可以期望通过这种激光器，实现连续大功率输出，而且覆盖频率范围可向长短两个方向发展。现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，它标志着新技术革命的发展。诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比，你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。 能发1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年.肖洛和.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射线波段的激光器也正在研究中。 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔（ 见光学谐振腔）3部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。 激光工作物质 是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。 激励(泵浦)系统 是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。①光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。③化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。 激光器的种类是很多的。下面，将分别从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类介绍。 按工作物质分类 根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体（晶体和玻璃）激光器，这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的；②气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl）则起基质的作用；④半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；⑤自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。 按激励方式分类 ①光泵式激光器。指以光泵方式激励的激光器，包括几乎是全部的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半导体激光器。②电激励式激光器。大部分气体激光器均是采用气体放电（直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入）方式进行激励，而一般常见的半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励，某些半导体激光器亦可采用高能电子束注入方式激励。③化学激光器。这是专门指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器，反希望产生的化学反应可分别采用光照引发、放电引发、化学引发。④核泵浦激光器。指专门利用小型核裂变反应所释放出的能量来激励工作物质的一类特种激光器，如核泵浦氦氩激光器等。 按运转方式分类 由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。①连续激光器，其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出，可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行，以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属此类。由于连续运转过程中往往不可避免地产生器件的过热效应，因此多数需采取适当的冷却措施。②单次脉冲激光器，对这类激光器而言，工作物质的激励和相应的激光发射，从时间上来说均是一个单次脉冲过程，一般的固体激光器、液体激光器以及某些特殊的气体激光器，均采用此方式运转，此时器件的热效应可以忽略，故可以不采取特殊的冷却措施。③重复脉冲激光器，这类器件的特点是其输出为一系列的重复激光脉冲，为此，器件可相应以重复脉冲的方式激励，或以连续方式进行激励但以一定方式调制激光振荡过程,以获得重复脉冲激光输出,通常亦要求对器件采取有效的冷却措施。④调激光器,这是专门指采用一定的 开关技术以获得较高输出功率的脉冲激光器，其工作原理是在工作物质的粒子数反转状态形成后并不使其产生激光振荡 (开关处于关闭状态)，待粒子数积累到足够高的程度后，突然瞬时打开 开关，从而可在较短的时间内（例如10～10秒）形成十分强的激光振荡和高功率脉冲激光输出（见技术'" class=link>激光调 技术）。⑤锁模激光器，这是一类采用锁模技术的特殊类型激光器，其工作特点是由共振腔内不同纵向模式之间有确定的相位关系，因此可获得一系列在时间上来看是等间隔的激光超短脉冲（脉宽10～10秒）序列，若进一步采用特殊的快速光开关技术，还可以从上述脉冲序列中选择出单一的超短激光脉冲（见激光锁模技术）。⑥单模和稳频激光器，单模激光器是指在采用一定的限模技术后处于单横模或单纵模状态运转的激光器，稳频激光器是指采用一定的自动控制措施使激光器输出波长或频率稳定在一定精度范围内的特殊激光器件，在某些情况下，还可以制成既是单模运转又具有频率自动稳定控制能力的特种激光器件（见激光稳频技术）。⑦可调谐激光器，在一般情况下，激光器的输出波长是固定不变的，但采用特殊的调谐技术后，使得某些激光器的输出激光波长，可在一定的范围内连续可控地发生变化，这一类激光器称为可调谐激光器（见激光调谐技术）。 按输出波段范围分类 根据输出激光波长范围之不同，可将各类激光器区分为以下几种。①远红外激光器，输出波长范围处于25～1000微米之间, 某些分子气体激光器以及自由电子激光器的激光输出即落入这一区域。②中红外激光器，指输出激光波长处于中红外区(～25微米)的激光器件,代表者为CO分子气体激光器(微米)、 CO分子气体激光器（5～6微米）。③近红外激光器,指输出激光波长处于近红外区（～微米）的激光器件，代表者为掺钕固体激光器（微米）、CaAs半导体二极管激光器(约 微米)和某些气体激光器等。④可见激光器，指输出激光波长处于可见光谱区（4000～7000埃或～微米）的一类激光器件，代表者为红宝石激光器 （6943埃）、 氦氖激光器（6328埃）、氩离子激光器（4880埃、5145埃）、氪离子激光器（4762埃、5208埃、5682埃、6471埃）以及一些可调谐染料激光器等。⑤近紫外激光器，其输出激光波长范围处于近紫外光谱区（2000～4000埃），代表者为氮分子激光器(3371埃)氟化氙(XeF)准分子激光器（3511埃、3531埃）、 氟化氪(KrF)准分子激光器(2490埃)以及某些可调谐染料激光器等⑥真空紫外激光器,其输出激光波长范围处于真空紫外光谱区(50～2000埃）代表者为（H）分子激光器 (1644～1098埃)、氙(Xe)准分子激光器（1730埃）等。⑦X射线激光器, 指输出波长处于X射线谱区（～50埃）的激光器系统，目前软X 射线已研制成功，但仍处于探索阶段[编辑本段]激光器的发明 激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至X射线和γ射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。 激光器的诞生史大致可以分为几个阶段，其中1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。 此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明，这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论，为激光器的产生进一步奠定了理论基础。20世纪40年代末，量子电子学诞生后，被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。 如果一个系统中处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数，就出现了粒子数的反转状态。那么只要有一个光子引发，就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子，这两个光子又会引发其他原子受激辐射，这样就实现了光的放大；如果加上适当的谐振腔的反馈作用便形成光振荡，从而发射出激光。这就是激光器的工作原理。1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射。稍后，美国物理学家查尔斯·汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计。 然而上述的微波波谱学理论和实验研究大都属于“纯科学”，对于激光器到底能否研制成功，在当时还是很渺茫的。 但科学家的努力终究有了结果。1954年，前面提到的美国物理学家汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器，成功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例。 汤斯等人研制的微波激射器只产生了厘米波长的微波，功率很小。生产和科技不断发展的需要推动科学家们去探索新的发光机理，以产生新的性能优异的光源。1958年，汤斯与姐夫阿瑟·肖洛将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键性建议，并预防了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。同期，巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。 此后，世界上许多实验室都被卷入了一场激烈的研制竞赛，看谁能成功制造并运转世界上第一台激光器。 1960年，美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，勉强赢得了这场世界范围内的研制竞赛。他用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度。 “梅曼设计”引起了科学界的震惊和怀疑，因为科学家们一直在注视和期待着的是氦氖激光器。 尽管梅曼是第一个将激光引入实用领域的科学家，但在法庭上，关于到底是谁发明了这项技术的争论，曾一度引起很大争议。竞争者之一就是“激光”(“受激辐射式光频放大器”的缩略词)一词的发明者戈登·古尔德。他在1957年攻读哥伦比亚大学博士学位时提出了这个词。与此同时，微波激射器的发明者汤斯与肖洛也发展了有关激光的概念。经法庭最终判决，汤斯因研究的书面工作早于古尔德9个月而成为胜者。不过梅曼的激光器的发明权却未受到动摇。 1960年12月，出生于伊朗的美国科学家贾万率人终于成功地制造并运转了全世界第一台气体激光器——氦氖激光器。1962年，有三组科学家几乎同时发明了半导体激光器。1966年，科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外，还有输出能量大、功率高，而且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。 由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。比如，人们利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工，能够做到在一个针头上钻200个孔；激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在医疗、农业的实际应用上取得了良好效果；在通信领域，一条用激光柱传送信号的光导电缆，可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量；激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外，多种激光武器和激光制导武器也已经投入实用。 今后，随着人类对激光技术的进一步研究和发展，激光器的性能将进一步提升，成本将进一步降低，但是它的应用范围却还将继续扩大，并将发挥出越来越巨大的作用。

激光在医学方面的应用：研究生命现象和规律、激光诊断、激光治疗等。

借助激光微束仪把激光束直径聚焦到～1μm，用以切割或焊接细胞，研究生物遗传规律。借助激光拉曼光谱分析技术，研究生物大分子的结构及其变化。借助于红外吸收光谱仪，通过对唇部的测定，能测定人血液内所存在的元素。

借助于激光多普勒测速技术测量皮肤、肠粘膜、胃粘膜的血流特征，可瞬时或连续地直接测量任何使光束可到达之处的组织的毛细血管的血流。

用于检验和诊断的激光技术主要有，激光荧光光谱术，激光喇曼光谱分析术，激光全息术，激光散斑分析术，激光多普勒测速术，激光流动式细胞分析术，激光干涉术，激光透照术和激光偏振技术等等，分别用来测量血液、尿液和人体其他组织的成份、微量元素的含量等，以及识别和分辨细胞是否病变或癌变。

激光在眼科的应用：

目前，眼科激光设备已经应用于屈光性角膜切除术、虹膜切除术、巩膜切除术和眼底组织凝固术等领域。光动力疗法蔡司公司激光系统治疗老年黄斑变性有显著效果。

准分子激光矫正视力是当前眼科主要的前沿课题之一。准分子激光的原理是利用被激发的气体，释放出高能量的光子。高能量的激光光能将角膜组织内的结构键切割分离开来，而又不会产生热效应伤及周围组织，所以能精密准确地产生光切作用，将角膜组织气化移除，进而改变角膜弧度，除去屈光不正度数。

因为每一发激光能量所气化组织的量与深度是固定的，所以准确又精密，准分子激光屈光矫正术现已取代传统的放射状角膜切开术。

一、前言

激光出现后，依托锁模技术进入了飞秒（10–15 s）超快时代，并迅速应用到物理、生物、化学和材料等前沿基础科学研究。Zewail 教授因飞秒化学方面的开创性研究荣获 1999 年诺贝尔化学奖。啁啾脉冲放大技术（CPA）进一步将激光推进到了超强时代 [1] ，相关科学家荣获 2018 年诺贝尔物理学奖。

超快超强激光是指同时具有超快时域特性和超高峰值功率特性的特殊光场，为人类在实验室中创造出了前所未有的超快时间、超高强场、超高温度和超高压力等极端物理条件，极大地促进了物理、化学、生物、材料、医学以及交叉学科等前沿科学的发展与进步。可以认为，超快超强激光是用于拓展人类认知的前沿基础科学研究最重要的工具之一，在某些方面甚至是独一无二、不可替代的研究手段。

超快超强激光技术在推动前沿基础科学研究持续拓展的同时，又面临着前沿基础科学研究因自身深化 探索 而新增的能力支撑需求，这为激光技术体系发展赋予了强劲的牵引力。本文着重梳理超快超强激光的发展与科学应用需求以及国内外技术发展情况，在此基础上就我国的领域发展目标和重点方向开展论证分析，以期为我国激光技术的稳步发展提供方向参照。

二、超快超强激光应用与发展需求分析

超快超强激光在相关前沿基础科学研究中的应用拓展，亟需进一步提升激光参数， 探索 利用激光脉冲的其他参量来将超快和超强前沿基础科学研究推进到更为深入的物质层次。根据前沿科学研究目标的差异，未来领域应用与发展的需求集中在以下两部分。

（一）超快激光及其科学应用

这一方向的未来发展需求可细分为阿秒激光乃至仄秒激光、极紫外 – 太赫兹全波段多维度参量精密可控的飞秒超快激光。

阿秒激光乃至仄秒激光追求采用更短脉冲宽度的超快激光来研究物质内部更快的超快过程，需要发展更高脉冲能量、更短脉冲宽度、更高光子能量的高性能阿秒（10–18 s）激光。将阿秒脉冲的光子能量推进到硬 X 射线波段和伽马射线波段，将脉冲宽度推进到仄秒（10–21 s）的时间尺度，从而将人类能够 探索 的物质层次从原子 / 分子水平推进到原子核尺度 [2] 。

飞秒时间尺度对应着原子 / 分子、材料、生物蛋白、化学反应等丰富物质体系的超快过程，有着广泛而重要的应用。随着研究的进一步拓展与深入，需要 探索 更加丰富和复杂的超快动力学过程，以致控制这些超快过程。为了对超快激光更多维度的参量特性进行调制和利用，不仅需要将飞秒激光的光谱拓展到红外 – 太赫兹波段、真空紫外 – 极紫外波段，还需要发展包括时域、振幅、相位、光谱、偏振、空间模式等多维度参量在内的精密调控飞秒超快激光，以极紫外 – 太赫兹全波段多维度参量精密可控的飞秒超快激光为代表。

（二）超强激光及其科学应用

根据定位和应用目标的差异，这一方向可分为低重复频率超高峰值功率超强激光、高重复频率高平均功率超强激光。其中，低重复频率是指激光脉冲重复频率在 10 Hz 及以下，高重复频率是指激光脉冲重复频率在 1 kHz 及以上。

唯有利用超强激光，人类方可在实验室中产生宇宙星体内部和原子核内部才有的极端物理条件。利用低重复频率超高峰值功率超强激光，可在实验室中研究激光粒子加速、光核物理、伽马光 – 光对撞等微观尺度的前沿物理问题，也可在宏观尺度上研究超新星爆发、太阳耀斑、黑洞吸积盘喷流等天体物理现象，还可研究引力波、暗物质、真空物理等拓展人类未知的前沿基础科学。针对国家重大理论与实验研究的需求，如激光粒子加速器、核嬗变等核物理、高能物理、激光聚变能源新途径、激光核医学等，低重复频率超高峰值功率超强激光提供了重要的科学研究工具。

在与国家战略需求相关的应用领域，如空天安全、空天环境物理等方面，高平均功率的超强激光是重要的驱动工具，以能够适应空天特殊环境的高重复频率超强激光为典型。高重复频率高平均功率的超强激光产生超强质子束、电子束、中子束、X 射线、伽马射线，以致超强太赫兹脉冲等次级超强光源作为新型工具，可以拓展到光核反应、激光推进、核聚变能源和核废料处理、疾病治疗等更为前沿的重大基础科学研究和实际应用中。

三、超快超强激光国内外研究现状

（一）超快激光及其科学应用

1. 阿秒超快激光

近 20 年的发展历程表明，宽带高次谐波产生阿秒脉冲来拓展应用的根本局限在于单脉冲能量偏低，国际主流的解决途径是建立高功率和长波长的飞秒超快激光系统。欧盟投资数亿欧元，在匈牙利建立了极端光装置 – 阿秒脉冲源（ELI-ALPS），通过两个拍瓦激光系统产生高峰值功率和高平均功率的阿秒脉冲 [3] 。长波长的中红外飞秒激光脉冲系统可产生更高光子能量和更短脉冲宽度的阿秒脉冲 [4] ，因此众多研究机构均在这方面开展工作。高重复频率阿秒激光研究也取得重要进展 [5] 。另外，通过 X 射线自由电子激光（XFEL）产生阿秒脉冲也获得了初步验证， XFEL 在产生高光子能量（硬X 射线和伽马射线波段）的高功率阿秒脉冲方面具有一定优势。

国内阿秒激光研究集中在中国科学院所属的上海光学精密机械研究所、物理研究所、西安光学精密机械研究所等科研机构。由于总体布局较晚，当前研究水平仍然相对落后。2009 年，上海光学精密机械研究所测量了阿秒脉冲链的脉冲宽度，获得了近傅里叶变换极限的阿秒脉冲激光。2013 年，物理研究所产生并测量了单个阿秒脉冲，获得了脉冲宽度为 160 as 的脉冲激光。西安光学精密机械研究所在阿秒脉冲激光研究方面承担了较多任务。国内高等院校，如华中 科技 大学、华东师范大学、北京大学、国防 科技 大学等也在开展阿秒激光的相关研究。此外，一些研究机构还在高功率激光加速产生高能电子和伽马射线等方面开展了系列工作。

2. 飞秒超快激光

利用非线性光学方法，国际上早已将飞秒激光的波长从可见 – 近红外波段拓展到深紫外 – 紫外、红外 – 太赫兹波段。自由电子激光器也已获得真空紫外和极紫外波段以及太赫兹超快飞秒激光，具有高能量和波长可调谐的优势，但相关装置较为复杂。为了研究更复杂丰富的超快动力学过程，多参量光场精密调控和多波长飞秒超快激光也获得了发展。

国内较多研究团队直接采用商用进口的飞秒激光器，叠加非线性效应来拓展波长等参量。在光场精密调控和多波长飞秒超快激光方面，上海光学精密机械研究所、上海 科技 大学、西安交通大学等机构完成了系列研究。2019 年，中国科学院大连化学物理研究所构建的自由电子激光器已经投入运行，在 50~200 nm 真空紫外与极紫外波段实现了波长连续可调的超快激光输出，发挥了飞秒超快激光对基础科学研究的支撑和拓展作用 [6] 。中国工程物理研究院利用自由电子激光实现了太赫兹波段超快激光输出。

（二）超强激光及其科学应用

这一方向的国际研究进展快速且竞争激烈，世界上已建成 50 多套拍瓦级激光装置 [7] 。

1. 低重复频率超高峰值功率超强激光

欧盟、美国、日本、韩国、俄罗斯等国家或地区均在建设十拍瓦级激光重大科学装置。近期多个国家或地区提出了 100~200 PW 重大激光科学装置的发展计划。欧盟 10 多个国家的近 40 个科研机构联合提出超强光基础设施（ELI）计划，旨在发展200 PW 超强激光装置，已被纳入欧盟未来大科学装置发展路线图；2019 年实现了 10 PW 超强激光输出 [8] 。法国 Apollon 激光装置 [9] 2017 年实现了5 PW 激光输出，2018 年实现了 10 PW 激光输出，更高指标输出目前有所延迟。英国 Vulcan 激光装置 [10] 计划采用光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术，将输出脉冲峰值功率由拍瓦级提升至十拍瓦级。俄罗斯规划用于极端光学研究的艾瓦中心（XCELS）拟实现 200 PW 峰值功率，待建激光装置包含 12 束功率为 15 PW、脉冲宽度为 25 fs 超强激光，利用相干合成技术来输出激光 [11] 。日本激光快速点燃实验项目（LFEX）装置已经实现了皮秒量级、脉冲能量达 2 kJ 的拍瓦激光输出，主要用于支持快点火激光核聚变、天体物理方面的研究。韩国光州科学技术院（GIST）基于钛宝石 CPA 方案，在 Hz 重复频率下实现了 PW 激光输出 [12] 。美国罗彻斯特大学 OMEGA EP 装置具有 1 kJ/1 ps/1 PW 的激光输出能力，同步提出了百拍瓦级超强激光的发展构想。

国内低重复频率超高峰值功率超强激光研究方向起步较早，已经形成了实力较强、梯队合理的研究队伍。自 1996 年起，每两年召开 1 次的“全国强场激光物理会议”显著促进了相关领域的学术交流和研究进展。近年来，我国在此方向取得了一些重要研究成果，部分成果已经处于国际领先水平。2017 年，中国工程物理研究院基于大口径三硼酸锂（LBO）晶体和 OPCPA 技术路线获得了近5 PW 超强激光输出 [13] 。上海光学精密机械研究所利用钛宝石 CPA 方案，2016 年在国际上率先实现5 PW 激光输出，2017 年在国际上率先实现 10 PW 放大输出 [14] ；利用 OPCPA 技术也实现了 1 PW 激光输出 [15] ；2018 年在国际上率先立项并启动建设百拍瓦级超强激光装置。此外，一些高等院校近期也提出了建设数十拍瓦级激光装置的规划设想。

2. 高重复频率高平均功率超强激光

这一方向的技术方法主要分为碟片超快激光和光纤超快激光。碟片激光器在解决增益介质的热效应管理问题之后，实现了平均功率为千瓦级的输出。光纤飞秒激光具有散热好、集成方便灵活、光束质量好、转换效率高等优势，且可实现 1 MHz 以上重复频率的激光放大，近年来获得迅速发展。受限于非线性效应，光纤中的 CPA 输出能量和功率还不高。

2012 年，国际知名学者 Mourou 教授在欧盟组织启动了“国际放大相干网络”（ICAN）计划 [16] ，旨在推动基于光纤飞秒激光及其组束技术的发展，实现高重复频率、高平均功率和高峰值功率的超强激光脉冲， 探索 应用于新一代粒子加速器的驱动源。在 ICAN 计划（10 J/100 fs/10 kHz 超强激光）框架下，德国耶拿大学牵头完成了光纤飞秒激光时间与空间组束的众多研究。例如，已经采用 16 束光纤飞秒激光合束获得了平均功率为千瓦级的高重复频率激光输出；提出的空间相干组束（16 32）与时间相干组束或脉冲堆积相结合的新技术方案，有望更加经济地实现 300 fs/100 TW 超强激光输出 [17] 。

国内高重复频率高平均功率超强激光还缺乏系统的研究布局，仅有上海光学精密机械研究所、北京大学、国防 科技 大学、天津大学等少量研究单位各自在分立的核心技术方向上开展研究和 探索 ，如高性能增益光纤研制、碟片激光放大技术、光纤飞秒振荡器、光纤 CPA 技术、空间激光组束、脉冲时间堆积和脉冲压缩等。一些科研机构和高等院校对大模场面积增益光纤、高能量高功率飞秒激光等技术方向进行了持续研究。鉴于在微加工领域应用的良好前景，国内诸多企业开展了数十瓦功率的光纤飞秒激光产品研制，部分企业已经推出了功率为 50 W 及以上的飞秒超快激光产品。尽管发展迅速，但大多数产品需要采用国外的关键器件，而具有自主知识产权的关键器件还较少。整体来看，这方面的研究较为分散，尚未在产业链条上形成系统规划和分工协作的局面。

四、我国超快超强激光发展思路与目标

（一）超快激光及其科学应用

1. 阿秒超快激光

阿秒脉冲的光子能量突破至 1 keV 乃至 10 keV 水平，支持开展阿秒超快内壳层电子动力学、电子自旋 – 轨道动力学等基础物理过程、大分子乃至生物大分子等复杂结构的超快电子动力学与结构变化等研究。涉及的关键技术包括：高功率、少周期、载波包络相位稳定的中红外激光系统，高亮度千电子伏特级阿秒激光脉冲产生，高分辨电子与多电子动量测量，通过康普顿散射方法将光子能量推进到硬 X 射线波段和伽马射线波段。

超快脉冲的脉冲宽度突破至仄秒水平，支持开展深内壳层电子动力学乃至原子核的动力学研究。阿秒脉冲的光子能量达到 10 keV 水平乃至伽马射线波段，阿秒脉冲宽度具备进入仄秒时间尺度的可能性。涉及的关键技术包括：与提高产生效率相关的技术，与实际应用相关的超快测量技术，仄秒脉冲宽度测量等。

2. 飞秒超快激光

随着飞秒超快光谱基础科学研究的发展，除了利用脉冲时域特性以外，光谱和偏振特性也是可以利用的重要特性。后续主要研究思路为：发展兆赫兹重复频率极紫外 – 太赫兹波段宽带飞秒激光，发展高性能、多波长的飞秒激光脉冲和多波长飞秒光频梳，实现同时脉冲形状和空间径向偏振（或涡旋）的、精密调控的特殊时空结构飞秒激光；发展吉赫兹重复频率超快激光，突破单光子和量子纠缠等新型超快光谱技术，提升超快光谱的稳定性和探测效率，支持更加纯粹的微观体系和更加复杂的多体超快动力学过程研究；利用多参量精密可控的超快激光，研究脑科学、肿瘤、生物发育与再生等方面的生物过程精密光控制。

（二）超强激光及其科学应用

1. 低重复频率超高峰值功率超强激光

需求牵引在于重大前沿物理科学问题研究，以期拓展人类认知。后续发展方向依然是继续提升激光的峰值功率（从 100 PW 到 1 EW），抢占最高聚焦功率密度（1025 W/cm2 ）的技术高地，为科学前沿研究提供最先进的极端物理条件。为了提升这类前沿实验的效率和可靠性，还应适当提升超强激光的重复频率，开展涡旋光等特殊光场的超强激光输出及其应用研究；时空电场精密控制与波长调谐的超强激光将进一步拓展应用范围。随着激光聚焦功率密度的不断提升，激光脉冲的时间对比度要求越来越高，应针对性开展有关输出与测量的创新研究。此外，大口径激光聚焦的创新研究和设计成为发展亟需，在有效提升聚焦功率密度的同时，可缓解放大输出激光能量伴生的成本问题。

峰值功率和重复频率是未来研究发展的突破口。预计在 2025 年、2030 年和 2035 年，将分别实现 100 PW、500 PW 和 1000 PW（1 EW）峰值功率的激光输出，在重复频率方面也将取得突破性提升。①利用 5 年左右的时间，实现单发 100 PW 峰值功率输出、重复频率 10 PW 激光输出；激光装置进行真空极化处理，支持天体物理、反物质等基础研究初步取得开创性科研成果。②利用 10 年左右的时间，通过提升泵浦激光能量来突破大尺寸光栅等关键元器件的研制和延寿问题，利用空间激光合束等方法实现 500 PW 激光输出，支持开展引力波、暗物质等前沿重大研究。③利用 15 年左右的时间，在更高功率泵浦激光方面，通过提升大尺寸光栅等关键元器件的尺寸和损伤阈值，结合空间相干组束方法来实现艾瓦级激光输出；发展新型聚焦系统，将聚焦功率密度提升至 1025 W/cm2 ； 探索 基于光和物质相互作用的新原理、新方法来实现艾瓦级激光输出，为激光发展开拓新的技术方案；获得达到近量子电动力学（QED）区域的超强激光，支持开展更加前沿的强场激光物理研究。

2. 高重复频率高平均功率超强激光

根据我国的现有技术水平、技术发展预期和国家重大需求，高重复频率高平均功率超强激光发展具有以下发展趋势。①利用 5 年左右的时间，重点掌握飞秒光纤 CPA、空间相干组束、脉冲时间堆积、大能量脉冲压缩等核心技术，通过路径和设计创新，降低这类激光的复杂性、难度和成本。②利用 10 年左右的时间，在实验室中产生太瓦级千赫兹重复频率的超强激光输出；重点开展强场激光物理中的高次谐波产生阿秒激光脉冲、激光电子加速等研究，获得高通量的阿秒激光脉冲，促进原子 / 分子和材料中阿秒动力学研究的发展；通过激光技术突破来带动工业应用的大发展，降低光纤飞秒激光的功率成本。③利用 15 年左右的时间，实现十太瓦级千赫兹以上重复频率的超强激光输出；通过工业领域的批量应用来驱动光纤飞秒激光功率成本的显著降低；对太瓦级激光进行空间合束，在实验室中实现十太瓦级高重复频率的超强激光；重点开展小型化粒子加速器研究，促进高重复频率、高能量质子束在医疗领域的拓展应用；利用激光产生的高能中子源， 探索 激光聚变能源和核废料处理等重要方面的应用。

五、超快超强激光的重点技术方向

1. 阿秒超快激光

未来重点发展方向主要包括：高能量单个阿秒激光脉冲，高平均功率（高重复频率）阿秒激光，高光子能量阿秒脉冲，拓展阿秒脉冲应用的小型化高重复频率阿秒脉冲。相关的技术发展方向为：高品质的少周期（含中红外）激光脉冲技术，简单便捷的阿秒激光脉冲测量技术、新型阿秒激光应用技术，高品质高亮度硬 X 射线和伽马射线产生技术、仄秒激光技术等。

2. 飞秒超快激光

未来重点发展方向主要包括：多波长高性能飞秒激光技术，宽带双频 / 多频梳飞秒激光技术，兆赫兹高重复频率高性能真空紫外 – 极紫外、红外 –太赫兹超快激光技术，径向偏振和涡旋等特殊偏振与空间模式的飞秒激光技术，吉赫兹高重复频率小型化量子点超快激光技术，垂直腔面发射（VCSEL）超快激光技术，涉及时域、光谱、偏振、空间、相位和振幅等多维度光场精密调控的飞秒激光技术等。

3. 低重复频率超高峰值功率超强激光

聚焦功率密度、对比度是最重要的参数指标，应进一步发展放大技术、脉冲压缩技术、空间聚焦技术、对比度提升与测量技术。未来重点技术方向具体包括：高通量放大技术（即超大能量的 CPA 或 OPCPA 技术以及对应的超大口径激光晶体或非线性晶体研制），等离子体拉曼放大和准参量啁啾脉冲放大（QPCPA）等新型放大技术，新型压缩器设计及大口径、高损伤阈值压缩光栅的研制，大口径超强激光组束技术，激光脉冲对比度提升与单发测量技术，大口径超强激光时空特性在线测量技术，大口径超强激光波前整形与新型高性能聚焦系统设计，超强激光时空电场精密控制与波长调谐技术，超强激光脉冲的腔外脉冲压缩技术，涡旋、径向偏振等特殊光场的超强激光产生及其应用等。

4. 高重复频率高平均功率超强激光

未来重点发展方向主要包括：新型飞秒光纤放大、新型碟片激光放大技术，高重复频率飞秒激光脉冲时间堆积与空间相干组束技术及其衍生创新技术，空间相干组束中甚多束激光的相位测量与主动反馈控制技术，新型飞秒激光放大的特殊光纤设计与加工技术，脉冲压缩与色散管理技术，高重复频率激光泵浦源技术，高重复频率放大过程中热效应管理技术，高性能增益光纤、高性能啁啾光纤光栅与透射光栅等核心元器件研制，时空光场精密控制与波长调谐技术等。

六、对策建议

（3）提高人类认知的基础科学研究，不仅需要本国科研人员的创新创造，还需要全球科学家的聪明才智。加强国际交流合作，吸引国际性人才开展联合研究，进一步加速和提升相关科学研究。在超强激光这些我国已经处于领先地位的领域方向以及一些具有引领性、颠覆性创新的研究方向，可以考虑在“一带一路”倡议框架下，开展重大基础科学装置建设，以我国为主并吸引其他国家（如亚洲国家、俄罗斯等）开展联合研究和技术攻关。通过基础科研成果共享（类似 ELI 计划和黑洞探测计划等）来提升我国 科技 创新的国际影响力。

（4）为了更好更快实现基础研究成果服务于国家经济 社会 发展需求的目标，建议科研机构和高等院校加强与企业的合作，促进超快超强激光方面实用型 科技 成果的高效转化。同时加强知识产权保护与管理，做好技术风险防范工作。

激光不同于普通光源，它具有良好的单色性和相干性，使得激光广泛地应用于各类机械加工领域，下面是我整理了激光技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!

简析激光切割技术

[摘 要]随着我国技术的发展，激光切割技术得到不断发展，应用范围日益广泛。本文主要是对激光切割技术的涵义、优点，国内外的发展现状及其数控激光切割技术的发展趋势进行分析论述，希望能够更好地了解应用激光切割技术。

[关键词]激光;激光技术;发展趋势

中图分类号：TG485 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2015)26-0097-01

激光技术是20世纪伟大的发明之一，自1960年第一台激光器问世以来，固体激光器、气体激光器、半导体激光器以及准分子激光器陆续诞生;激光不同于普通光源，它具有良好的单色性和相干性，很好的方向性，极高的能量密度，这些特点使得激光广泛地应用于各类机械加工领域，如激光切割、焊接、激光淬火、激光打标等等，而激光切割被认为是激光技术应用中最成熟的工艺。下文将对激光切割技术的相关内容进行详细的论述。

一、激光切割的概述

1.激光切割的涵义

激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，也是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹做相对运动，从而形成一定形状的切缝。激光切割技术经过近几年的发展，广泛应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。

2.激光切割的优点

激光切割技术具有以下优点：

第一，精度高：定位精度，重复定位精度。

第二，切缝窄：激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度，材料很快加热至气化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切口宽度一般为～。

第三，切割面光滑：切割面无毛刺，切口表面粗糙度一般控制在以内。

第四，速度快：切割速度可达10m/min，最大定位速度可达70m/min，比线切割的速度快很多。

第五，切割质量好：无接触切割，切边受热影响很小，基本没有工件热变形，完全避免材料冲剪时形成的塌边，切缝一般不需要二次加工。

第六，不损伤工件：激光切割头不会与材料表面相接触，保证不划伤工件。

第七，不受被切材料的硬度影响：激光可以对钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等进行加工，不管什么样的硬度，都可以进行无变形切割。

第八，不受工件外形的影响：激光加工柔性好，可以加工任意图形，可以切割管材及其他异型材。

第九，可以对非金属进行切割加工：如塑料、木材、PVC、皮革、纺织品和有机玻璃等。

第十，节约模具投资：激光加工不需模具，没有模具消耗，无须修理模具，节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，尤其适合大件产品的加工。

十一，节省材料：采用电脑编程，可以把不同外形的产品进行整张板材料套裁，最大限度地提高材料的利用率。

十二，缩短了新产品制造周期：新产品试制，数量小，结构不确定、随时会改动，根本不能出模具，激光切割机大大缩短了新产品制造周期，减少了模具投入。

二、国内外激光切割技术的现状

激光切割是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。以日本为例，目前已拥有CO2激光切割机2万多台，约占全球激光加工机总量的1/3，其中80%为激光切割设备。据统计，自1995年以来，CO2激光切割机的年生产量已超过500台左右，其中YAG激光切割机100多台。而我国至今却只有600多台套激光切割机在使用中。因此，在我国，激光切割技术的推广和应用潜力很大。随着我国国民经济的飞速发展，许多传统产业需要改造，许多钣金加工领域有待开发，许多工业城市也需要建立激光加工中心。

三、数控激光切割技术的发展前景

1.高速、高精度激光切割机及切割工艺

我国的数控激光切割机生产，经过近20年的发展已取得了很大成就。但与国外先进产品相比，还有较大差距，主要表现在切割机的运行速度低，动态精度差，配套功能不够，切割工艺参数不完善和切割断面质量不易保证等。为了进一步提高产品质量和生产率，必须生产出新型的高速、高精度的激光切割机，以满足国内日益增长的生产需要，数控激光割机应具备专用切割工艺参数，配有激光专用自动编程系统及自动排料、套料系统，减少编程时间，提高板材利用率。数控激光切割机如安装交换工作台，则可以大大提高生产率，充分利用激光能源，降低生产成本。

2.厚板激光切割技术的应用范围想着重工业的方向发展

由于大功率CO2激光器光束模式的改进和激光切割技术进步，使厚板激光切割技术的应用逐渐增加，同时由于切割工艺采用CNC控制激光切割精度高，因此，用激光切割代替等离子、氧乙炔为主的中厚板切割的趋势正迅速增长，激光切割正从轻工业的钣金加工业向建筑机械、桥梁、造船等重工业方向发展。

3.三维高精度大型数控激光切割机及其应用领域

工艺技术三维数控激光切割机主要应用于汽车制造、航空、建筑及难以加工的大型立体钣金件。其主要特点是：床身刚性好、加工范围大;龙门式结构能实现高速、高精度的切割;三维激光切割头不仅能沿X、Y、Z轴作直线运动，且能进行C轴旋转.数控系统采用5轴或6轴联动系统，具有空间立体编程简单、操作方便和可靠性高的特点。目前国内企业对三维激光切割机已经有需求，随着市场和经济的快速发展，在汽车、航空、机车及工程机械等行业对三维激光切割机的需求将会不断增大，因此，开发出性能好、工作可靠、使用方便的三维激光切割机，将使我国激光切割机的水平大大提高一步。

4.数控激光切割技术在农机制造中的应用

农业机械种类繁多，更新换代迅速，新产品研制周期长，而且多数种类的产品都属于小批量生产，农机产品的钣金加工件一般采用4～6mm钢板，板金件种类多，并且更新快，传统的农机产品板金加工件通常采用冲床方式，模具消耗大，通常一个大型的农机生产厂家用于模具存放的库房就近300m2，由此可见，农机部件的加工如果仍然停留在传统的方式，将严重制约产品的快速更新换代与技术开发，而数控激光切割技术的柔性加工优势就体现出来了。

四、结束语

随着装备制造业的快速发展，我国数控激光切割成套设备已进入快速增长期，年增长率达50%以上。应用行业包括：汽车、船舶、航空、核工业、机械制造、钢铁、纺织、石油、激光加工中心等。在2006年全国激光加工学术年会上，专家们认为：到“十一五”末期，我国每年至少需要1500多台套高功率数控激光切割机，到“十二五”末期，我国高功率数控激光切割机市场需求量将达到10000台套，其中除了通用的激光切割机之外，对高速高精度激光切割机、大幅面厚板激光切割机、三维立体数控激光切割机、航天航空用有色金属激光器切割机等高性能激光切割系统的需求也与日俱增。

参考文献

[1] 邓家科、王中、朱付金、卢飞星.数控激光切割技术发展趋势与市场分析[J]，激光与光电子学进展，2009(5).

[2] 孙晓东、王松、赵凯华、李国庆.激光切割技术国内外研究现状[J]，热加工工艺，2012(9).

[3] 孙晓、蒋明、陈聪、高明、曾晓燕.三维激光切割在机械加工机床中的集成研究[J]，制造技术与机床，2015(1).

[4] 李文轩.激光技术应用及前景[J]，经营管理者，2014(33).

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