激光原理

光與物質的相互作用，實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻射光子，同時改變自身運動狀況的表現。

微觀粒子都具有特定的一套能級（通常這些能級是分立的）。任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態（或者簡單地表述為處在某一個能級上）。與光子相互作用時，粒子從一個能級躍遷到另一個能級，并相應地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E，頻率為ν=△E/h（h為普朗克常量）。

1.受激吸收（簡稱吸收）

處于較低能級的粒子在受到外界的激發（即與其他的粒子發生了有能量交換的相互作用，如與光子發生非彈性碰撞），吸收了能量時，躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。

2.自發輻射

粒子受到激發而進入的激發態，不是粒子的穩定狀態，如存在著可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發地從高能級激發態（E2）向低能級基態（E1）躍遷，同時輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率ν=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發輻射。眾多原子以自發輻射發出的光，不具有相位、偏振態、傳播方向上的一致，是物理上所說的非相干光。

3.受激輻射、激光

1917年，愛因斯坦從理論上指出：除自發輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當頻率為ν=（E2-E1）/h的光子入射時，也會引發粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。

可以設想，如果大量原子處在高能級E2上，當有一個頻率ν=（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵E2上的原子產生受激輻射，得到兩個特征完全相同的光子，這兩個光子再激勵E2能級上原子，又使其產生受激輻射，可得到四個特征相同的光子，這意味著原來的光信號被放大了。這種在受激輻射過程中產生并被放大的光就是激光。

愛因斯坦1917提出受激輻射，激光器卻在1960年問世，相隔43年，為什么？主要原因是，普通光源中粒子產生受激輻射的概率極小。當頻率一定的光射入工作物質時，受激輻射和受激吸收兩過程同時存在，受激輻射使光子數增加，受激吸收卻使光子數減小。物質處于熱平衡態時，粒子在各能級上的分布，遵循平衡態下粒子的統計分布律。按統計分布規律，處在較低能級E1的粒子數必大于處在較高能級E2的粒子數。這樣光穿過工作物質時，光的能量只會減弱不會加強。要想使受激輻射占優勢，必須使處在高能級E2的粒子數大于處在低能級E1的粒子數。這種分布正好與平衡態時的粒子分布相反，稱為粒子數反轉分布，簡稱粒子數反轉。如何從技術上實現粒子數反轉是產生激光的必要條件。

理論研究表明，任何工作物質，在適當的激勵條件下，可在粒子體系的特定高低能級間實現粒子數反轉。若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1，E2和E1能級上的布居數密度為N2和N1，在兩能級間存在著自發發射躍遷、受激發射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發射躍遷所產生的受激發射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發下產生的受激發射光是相干的。受激發射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場的單色能量密度。當兩個能級的統計權重相等時，兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2N1，這種狀態稱為粒子數反轉狀態。在這種情況下，受激發射躍遷占優勢。光通過一段長為l的處于粒子數反轉狀態的激光工作物質（激活物質）后，光強增大eGl倍。G為正比于（N2-N1）的系數，稱為增益系數，其大小還與激光工作物質的性質和光波頻率有關。一段激活物質就是一個激光放大器。如果，把一段激活物質放在兩個互相平行的反射鏡（其中至少有一個是部分透射的）構成的光學諧振腔中（圖1），處于高能級的粒子會產生各種方向的自發發射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內往返傳播，當它在激光物質中傳播時，光強不斷增長。如果諧振腔內單程小信號增益G0l大于單程損耗δ（G0l是小信號增益系數），則可產生自激振蕩。原子的運動狀態可以分為不同的能級，當原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的光子（所謂自發輻射）。

歷史沿革

激光的理論基礎起源于物理學家愛因斯坦，1917年愛因斯坦提出了一套全新的技術理論‘光與物質相互作用’。這一理論是說在組成物質的原子中，有不同數量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光，而且在某種狀態下，能出現一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。

1951年，美國物理學家查爾斯·哈德·湯斯設想如果用分子，而不用電子線路，就可以得到波長足夠小的無線電波。分子具有各種不同的振動形式，有些分子的振動正好和微波波段范圍的輻射相同。問題是如何將這些振動轉變為輻射。就氨分子來說，在適當的條件下，它每秒振動24，000，000，000次（24GHz），因此有可能發射波長為1.25厘米的微波。他設想通過熱或電的方法，把能量泵入氨分子中，使它們處于“激發“狀態。然后，再設想使這些受激的分子處于具有和氨分子的固有頻率相同的微波束中---這個微波束的能量可以是很微弱的。一個單獨的氨分子就會受到這一微波束的作用，以同樣波長的束波形式放出它的能量，這一能量又繼而作用于另一個氨分子，使它也放出能量。這個很微弱的入射微波束相當于起立腳點對一場雪崩的促發作用，最后就會產生一個很強的微波束。最初用來激發分子的能量就全部轉變為一種特殊的輻射。

1953年12月，湯斯和他的學生阿瑟·肖洛終于制成了按上述原理工作的的一個裝置，產生了所需要的微波束。這個過程被稱為“受激輻射的微波放大”。按其英文的首字母縮寫為M.A.S.E.R,并由之造出了單詞“maser”（脈澤）（這樣的單詞稱為首字母縮寫詞，在技術語中越來越普遍使用）。

1958年，美國科學家肖洛（Schawlow）和湯斯（Townes）發現了一種神奇的現象：當他們將氖光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。根據這一現象，他們提出了"激光原理"，即物質在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發時，都會產生這種不發散的強光--激光。他們為此發表了重要論文，并獲得1964年的諾貝爾物理學獎。

1960年5月15日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領域的科學家。

1960年7月7日，西奧多·梅曼宣布世界上第一臺激光器誕生，梅曼的方案是，利用一個高強閃光燈管，來激發紅寶石。由于紅寶石其實在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當紅寶石受到刺激時，就會發出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個孔，使紅光可以從這個孔溢出，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使其達到比太陽表面還高的溫度。

前蘇聯科學家尼古拉·巴索夫于1960年發明了半導體激光器。半導體激光器的結構通常由p層、n層和形成雙異質結的有源層構成。其特點是：尺寸小、耦合效率高、響應速度快、波長和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調制、相干性好。

激光的中文名稱

1964年10月，中國科學院長春光機所主辦的《光受激發射情報》（其前身為《光量子放大專刊》）雜志編輯部致信錢學森，請他為LASER取一個中文名字，錢學森建議中文名為“激光”。同年12月，上海召開第三屆光量子放大器學術會議，由嚴濟慈主持，討論后正式采納錢學森的建議，將“通過輻射受激發射的光放大”的英文縮寫LASER正式翻譯為“激光”。隨后，《光受激發射情報》雜志也改名為《激光情報》。

大事年表

1917年：愛因斯坦提出“受激發射”理論，一個光子使得受激原子發出一個相同的光子。

1953年：美國物理學家Charles Townes用微波實現了激光器的前身：微波受激發射放大（英文首字母縮寫maser）。

1957年：Townes的博士生Gordon Gould創造了“laser”這個單詞，從理論上指出可以用光激發原子，產生一束相干光束，之后人們為其申請了專利，相關法律糾紛維持了近30年。

1960年：美國加州Hughes實驗室的Theodore Maiman實現了第一束激光。

1961年：激光首次在外科手術中用于殺滅視網膜腫瘤。

1962年：發明半導體二極管激光器，這是今天小型商用激光器的支柱。

1969年：激光用于遙感勘測，激光被射向阿波羅11號放在月球表面的反射器，測得的地月距離誤差在幾米范圍內。

1971年：激光進入藝術世界，用于舞臺光影效果，以及激光全息攝像。英國籍匈牙利裔物理學家Dennis Gabor憑借對全息攝像的研究獲得諾貝爾獎。

1974年：第一個超市條形碼掃描器出現。

1975年：IBM投放第一臺商用激光打印機。

1978年：飛利浦制造出第一臺激光盤（LD）播放機，不過價格很高。

1982年：第一臺緊湊碟片（CD）播放機出現，第一部CD盤是美國歌手Billy Joel在1978年的專輯52nd Street。

1983年：里根總統發表了“星球大戰”的演講，描繪了基于太空的激光武器。

1988年：北美和歐洲間架設了第一根光纖，用光脈沖來傳輸數據。

1990年：激光用于制造業，包括集成電路和汽車制造。

1991年：第一次用激光治療近視，海灣戰爭中第一次用激光制導導彈。

1996年：東芝推出數字多用途光盤（DVD）播放器。

2008年：法國神經外科學家使用廣導纖維激光和微創手術技術治療了腦瘤。

2010年：美國國家核安全管理局（NNSA）表示，通過使用192束激光來束縛核聚變的反應原料、氫的同位素氘（質量數2）和氚（質量數3），解決了核聚變的一個關鍵困難。

2011年3月，研究人員研制的一種牽引波激光器能夠移動物體，未來有望能移動太空飛船。

2013年1月，科學家已經成功研制出可用于醫學檢測的牽引光束。

2014年6月5日美國航天局利用激光束把一段時長37秒、名為“你好，世界！”的高清視頻，只用了3.5秒就成功傳回，相當于傳輸速率達到每秒50兆，而傳統技術下載需要至少10分鐘。

基本特性

定向發光

普通光源是向四面八方發光。要讓發射的光朝一個方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡，使輻射光匯集起來向一個方向射出。激光器發射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個月球。天文學家相信，外星人或許正使用閃爍的激光作為一種宇宙燈塔來嘗試與地球進行聯系。

亮度極高

在激光發明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石激光器的激光亮度，能超過氙燈的幾百億倍。因為激光的亮度極高，所以能夠照亮遠距離的物體。紅寶石激光器發射的光束在月球上產生的照度約為0.02勒克斯（光照度的單位），顏色鮮紅，激光光斑肉眼可見。若用功率最強的探照燈照射月球，產生的照度只有約一萬億分之一勒克斯，人眼根本無法察覺。激光亮度極高的主要原因是定向發光。大量光子集中在一個極小的空間范圍內射出，能量密度自然極高。

激光的亮度與陽光之間的比值是百萬級的，而且它是人類創造的。

激光的顏色

激光的顏色取決于激光的波長，而波長取決于發出激光的活性物質，即被刺激后能產生激光的那種材料。刺激紅寶石就能產生深玫瑰色的激光束，它應用于醫學領域，比如用于皮膚病的治療和外科手術。公認最貴重的氣體之一的氬氣能夠產生藍綠色的激光束，它有諸多用途，如激光印刷術，在顯微眼科手術中也是不可缺少的。半導體產生的激光能發出紅外光，因此我們的眼睛看不見，但它的能量恰好能"解讀"激光唱片，并能用于光纖通訊。但有的激光器可調節輸出激光的波長。

激光分離技術

激光分離技術主要指激光切割技術和激光打孔技術。激光分離技術是將能量聚焦到微小的空間，可獲得105~1015W/cm2極高的輻照功率密度，利用這一高密度的能量進行非接觸、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，幾乎可以對任何材料實現激光切割和打孔。激光切割技術是一種擺脫傳統的機械切割、熱處理切割之類的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產效率等特點。激光打孔方法作為在固體材料上加工孔方法之一，已成為一項擁有特定應用的加工技術，主要運用在航空、航天與微電子行業中。

顏色極純

光的顏色由光的波長（或頻率）決定。一定的波長對應一定的顏色。太陽輻射出的可見光段的波長分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間，對應的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽光談不上單色性。發射單種顏色光的光源稱為單色光源，它發射的光波波長單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發射某一種顏色的光。單色光源的光波波長雖然單一，但仍有一定的分布范圍。如氖燈只發射紅光，單色性很好，被譽為單色性之冠，波長分布的范圍仍有0.00001納米，因此氖燈發出的紅光，若仔細辨認仍包含有幾十種紅色。由此可見，光輻射的波長分布區間越窄，單色性越好。

激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布范圍可以窄到2×10^-9納米級別，是氪燈發射的紅光波長分布范圍的萬分之二。由此可見，激光器的單色性遠遠超過任何一種單色光源。

能量極大

光子的能量是用E=hv來計算的，其中h為普朗克常量，v為頻率。由此可知，頻率越高，能量越高。激光頻率范圍3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。

電磁波譜可大致分為：

（1）無線電波——波長從幾千米到0.3米左右，一般的電視和無線電廣播的波段就是用這種波；

（2）微波——波長從0.3米到10^-3米，這些波多用在雷達或其它通訊系統；

（3）紅外線——波長從10^-3米到7.8×10^-7米；

（4）可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個波段。波長從780—380nm。光是原子或分子內的電子運動狀態改變時所發出的電磁波。由于它是我們能夠直接感受而察覺的電磁波極少的那一部分；

（5）紫外線——波長從3×10^-7米到6×10^-10米。這些波產生的原因和光波類似，常常在放電時發出。由于它的能量和一般化學反應所牽涉的能量大小相當，因此紫外光的化學效應最強；

（6）倫琴射線(X射線)——這部分電磁波譜，波長從2×10^-9米到6×10^-12米。倫琴射線（X射線）是電原子的內層電子由一個能態跳至另一個能態時或電子在原子核電場內減速時所發出的；

（7）伽馬射線——是波長從10^-10～10^-14米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內發出來的，放射性物質或原子核反應中常有這種輻射伴隨著發出。γ射線的穿透力很強，對生物的破壞力很大。由此看來，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因為它的作用范圍很小，一般只有一個點），短時間里聚集起大量的能量，用做武器也就可以理解了。

其他特性

激光有很多特性：首先，激光是單色的，或者說是單頻的。有一些激光器可以同時產生不同頻率的激光，但是這些激光是互相隔離的，使用時也是分開的。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，整束光就好像一個“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是說它要走很長的一段距離才會出現分散或者收斂的現象。

激光對組織的生物效應

1、熱效應

2、光化學效應

3、壓強作用、電磁場效應和生物刺激效應。

壓強作用和電磁場效應主要由中等功率以上的激光所產生，光化學效應在低功率激光照射時特別重要，熱效應存在于所有的激光照射，而生物刺激作用只發生在弱激光照射時。

安全防護

激光波長與眼睛傷害：在激光的傷害中，以機體中眼睛的傷害最為嚴重。波長在可見光和近紅外光的激光，眼屈光介質的吸收率較低，透射率高，而屈光介質的聚焦能力（即聚光力）強。強度高的可見或近紅外光進入眼睛時可以透過人眼屈光介質，聚積光于視網膜上。此時視網膜上的激光能量密度及功率密度提高到幾千甚至幾萬倍，大量的光能在瞬間聚中于視網膜上，致視網膜的感光細胞層溫度迅速升高，以至使感光細胞凝固變性壞死而失去感光的作用。激光聚于感光細胞時產生過熱而引起的蛋白質凝固變性是不可逆的損傷。一旦損傷以后就會造成眼睛的永久失明。

激光的波長不同對眼球作用的程度不同，其后果也不同。遠紅外激光對眼睛的損害主要以角膜為主，這是因為這類波長的激光幾乎全部被角膜吸收，所以角膜損傷最重，主要引起角膜炎和結膜炎，患者感到眼睛痛，異物樣刺激、怕光、流眼淚、眼球充血，視力下降等。發生遠紅外光損傷時應遮住保護傷眼，防止感染發生，對癥處理。

紫外激光對眼的損傷主要是角膜和晶狀體，此波段的紫外激光幾乎全部被眼的晶狀體吸收，而中遠以角膜吸收為主，因而可致晶狀體及角膜混濁。

激光器通常都會標示有著安全等級編號的激光警示標簽：

第1級(Class I/1)：通常是因為光束被完全的封閉在內，例如在CD或DVD播放器內。

第2級(Class II/2)：在正常使用狀況下是安全的，這類設備通常功率低于1mW，例如激光指示器。

第3a/R級(Class IIIa/3R)：功率通常會達到5mW，注視這種光束幾秒鐘會對視網膜造成立即的傷害。

第3b/B級(Class IIIb/3B)：在暴露下會對眼睛造成立即的損傷。

第4級(Class IV/4)：激光會燒灼皮膚，即使散射的激光光（200W以上）也會對眼睛和皮膚造成傷害。利用激光的熱能，可以制造新型的烹飪工具。

以上情況是指在激光直射眼睛的情況下所發生的。如果間接觀察激光，任何200W以下的激光的丁達爾效應都不會對眼睛造成影響。

國內前景

激光功率已不足以描述切割能力的大小，亮度（Brightness）才是。亮度的定義是“單位面積單位立體角的激光功率”。

對比CO2激光器、碟片激光器和光纖激光器，可以得出這樣的結論：直到5千瓦，以光纖激光的亮度最大，切割金屬板最快最厚的當屬光纖激光。但實際上切割厚板尚不如CO2激光，盡管碳鋼對近紅外的1.07摻鐿光纖激光的吸收率數倍于中紅外10.6的CO2激光，但10倍于光纖激光波長的CO2激光之切縫比光纖的寬得多（一般2mm），氧氣易于吹入。這就是CO2激光46年來一直獨占固體激光之鰲頭的緣由。第一，國產激光切割機的量產與自主開發力度的加大，外國一線公司在華本土化的生產，縮小了二者的產品差距與價格差距。用戶對國產機的認同度不斷提高，其在2010年國內市場的占比高達80%。

第二，2010年我國千瓦以上大功率CO2激光切割機銷量達1000臺，占全球市場的20%-25%。上海團結普瑞瑪、大族激光、武漢法利萊、奔騰楚天等一線廠商都有大幅的增長。最多一家竟占了國內市場的30%。

市場興旺得力于擴大內需，但主要是這種加工手段的魅力，特別在鐵路鋼鐵、工程機械、汽車造船、航空航天和軍工等高端市場的旺盛需求。

2014年市場難料，但可深信一點，2013年大起，2014年絕不會大落，作為制造大國的中國，保有量不會低于10000臺。須知2000年前的10年我國的總量才280臺。

第三，我國大功率激光切割裝備的產業鏈遠未形成，尚無自主知識產權的新型大功率激光器，無論激光器還是切割機的關鍵元部件都得依賴進口。價昂的電容切割頭及作為耗材的光學鏡片等的研發生產，迄今都無人問津。成不了國內配套，進軍海外市場不過是夢想。唯有待到國產整機批量出口之日，才是我國這一產業的形成之時。

第四，光纖激光是當前的熱門話題。ROFIN與TRUMPF分別收購NUFERN與SPI公司發展光纖激光已三年，今春上海慕尼黑激光展上，ROFIN展出了2KW光纖激光器，但全球高功率光纖激光器市場依然是IPG一統天下。繼上年SALVAGNINI與LASER PHOTONICS等公司展出用其的光纖激光器之切割機后，2010年11月在亞特蘭大的FABTECH與漢諾威的EUROBLECH展會上又推出愈來愈多的光纖激光切割機。欣喜的是一批海歸博士矢志回國創業，創建了武漢銳科光纖激光、西安炬光等公司，研發生產高功率光纖激光器與二極管激光泵源，相信有自主知識產權的4KW連續波光纖激光器不久將會呈現在國人面前。

發展前景

激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大，特別適用于自動化加工，激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已成為企業實行適時生產的關鍵技術，為優質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。透過將激光束集中在單分子上，ETH Zurich的科學家只用單個分子就產生激光運作的基本條件──受激發射(stimulated emission)。由于在低溫下，分子會增加它們的外表面積(apparent surface area)來跟光線互動，因此研究人員將分子冷卻到攝氏零下272度，也就是只比絕對零度高1度兩條光束瞄準單分子

在受控制的模式下，利用一道激光束來讓單個分子進入量子態(controlled fashion)，研究人員如此能明顯的縮減或是放大第二道激光束。這種運作模式與傳統的晶體管如出一轍；晶體管內的電位(electrical potential)能用來調變第二個信號。不過ETH Zurich并未透露其單分子的化學方程式。由于其性能與散熱效能的優勢，光子運算技術是科學家們長期追求的目標；光子(photon)不僅發熱比電子少，也能達到高出相當多的數據傳輸速率。不過光通訊技術卻只能逐步地從長距離通訊，進展到短距離通訊，再進入單系統中。

應用領域

激光加工技術是利用激光束與

物質相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工以及做為光源，識別物體等的一門技術，傳統應用最大的領域為激光加工技術。激光技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術，傳統上看，它的研究范圍一般可分為：

1.激光加工系統。包括激光器、導光系統、加工機床、控制系統及檢測系統。

2.激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微雕等各種加工工藝。

激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。2013年使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半導體泵浦激光器。

激光切割：汽車行業、計算機、電氣機殼、木刀模業、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。

激光筆：又稱為激光指示器、指星筆等，是把可見激光設計成便攜、手易握、激光模組（二極管）加工成的筆型發射器。常見的激光筆有紅光(650-660nm, 635nm)、綠光(515-520nm,532nm)、藍光(445-450nm)和藍紫光(405nm)等，功率通常以毫瓦為單位。通常在會報、教學、導賞人員都會使用它來投映一個光點或一條光線指向物體，但激光會傷害到眼睛，任何情況下都不應該讓激光直射眼睛。

激光治療：可以用于手術開刀，減輕痛苦，減少感染。

激光打標：在各種材料和幾乎所有行業均得到廣泛應用，2013年使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。

激光打孔：激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業。激光打孔的迅速發展，主要體現在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由2008年的400w提高到了800w至1000w。國內2013年比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業的生產中。2013年使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準分激光器、同位素激光器和半導體泵浦激光器。

激光熱處理：在汽車工業中應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業和其它機械行業也應用廣泛。我國的激光熱處理應用遠比國外廣泛得多。2013年使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器為主。

激光快速成型：將激光加工技術和計算機數控技術及柔性制造技術相結合而形成。多用于模具和模型行業。2013年使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主。

激光涂敷：在航空航天、模具及機電行業應用廣泛。2013年使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主。

激光成像：利用激光束掃描物體，將反射光束反射回來，得到的排布順序不同而成像。用圖像落差來反映所成的像。激光成像具有超視距的探測能力，可用于衛星激光掃描成像，未來用于遙感測繪等科技領域。

醫學

激光在醫學上的應用主要分三類：激光生命科學研究、激光診斷、激光治療，其中激光治療又分為：激光手術治療、弱激光生物刺激作用的非手術治療和激光的光動力治療。

應用于牙科的激光系統依據激光在牙科應用的不同作用，分為幾種不同的激光系統。區別激光的重要特征之一是：光的波長，不同波長的激光對組織的作用不同，在可見光及近紅外光譜范圍的光線，吸光性低，穿透性強，可以穿透到牙體組織較深的部位，例如氬離子激光、二極管激光或Nd：YAG激光（如圖1）。而Er：YAG激光和CO，激光的光線穿透性差，僅能穿透牙體組織約0．01毫米。區別激光的重要特征之二是：激光的強度（即功率），如在診斷學中應用的二極管激光，其強度僅為幾個毫瓦特，它有時也可用在激光顯示器上。

用于治療的激光，通常是幾個瓦特中等強度的激光。激光對組織的作用，還取決于激光脈沖的發射方式，以典型的連續脈沖發射方式的激光有：氬離子激光、二極管激光、CO2，激光；以短脈沖方式發射的激光有：Er：YAG激光或許多Nd：YAG激光，短脈沖式的激光的強度（即功率）可以達到1,000瓦特或更高，這些強度高、吸光性也高的激光，只適用于清除硬組織。

激光美容

（1）激光在美容界的用途越來越廣泛。色素沉著，如太田痣、鮮紅斑痣、雀斑、老年斑、毛細血管擴張等，以及去紋身、洗眼線、洗眉、治療瘢痕等；而2013年以前一些新型的激光儀，高能超脈沖CO2激光，鉺激光進行除皺、磨皮換膚、治療打鼾，美白牙齒等等，取得了良好的療效，為激光外科開辟越來越廣闊的領域。

（2）激光手術有傳統手術無法比擬的優越性。首先激光手術不需要住院治療，手術切口小，術中不出血，創傷輕，無瘢痕。例如：眼袋的治療傳統手術法存在著由于剝離范圍廣、術中出血多，術后愈合慢，易形成瘢痕等缺點，而應用高能超脈沖CO2激光儀治療眼袋，則以它術中不出血，不需縫合，不影響正常工作，手術部位水腫輕，恢復快，無瘢痕等優點，令傳統手術無法比擬。而一些由于出血多而無法進行的內窺鏡手術，則可由激光切割代替完成。（注：有一定的適應范圍）

（3）激光在血管性皮膚病以及色素沉著的治療中成效卓越。使用脈沖染料激光治療鮮紅斑痣，療效顯著，對周圍組織損傷小，幾乎不落疤。它的出現，成為鮮紅斑痣治療史上的一次革命，因為鮮紅斑痣治療史上，放射、冷凍、電灼、手術等方法，其瘢痕發生率均高，并常出現色素脫失或沉著。激光治療血管性皮膚病是利用含氧血紅蛋白對一定波長的激光選擇性的吸收，而導致血管組織的高度破壞，其具有高度精確性與安全性，不會影響周圍鄰近組織。因此，激光治療毛細血管擴張也是療效顯著。

此外，由于可變脈沖激光等相繼問世，使得不滿意紋身的去除，以及各類色素性皮膚病如太田痣，老年斑等的治療得到了重大突破。這類激光根據選擇性光熱效應理論，（即不同波長的激光可選擇性地作用于不同顏色的皮膚損害），利用其強大的瞬間功率，高度集中的輻射能量及色素選擇性，極短的脈寬，使激光能量集中作用于色素顆粒、將其直接汽化、擊碎，通過淋巴組織排出體外，而不影響周圍正常組織，并且以其療效確切，安全可靠，無瘢痕，痛苦小而深入人心。

（4）激光外科開創了醫學美容的新紀元。高能超脈沖CO2激光磨皮換膚術開拓了美容外科的新技術。它利用高能量，極短脈沖的激光，使老化、損傷的皮膚組織瞬間被汽化，不傷及周圍組織，治療過程中幾乎不出血，并可精確的控制作用深度。其效果得到國際醫學整形美容界充分肯定，被譽為“開創了醫學美容新紀元”；此外，更有高能超脈沖CO2激光儀治療眼袋、打鼾、甚至激光美白牙齒等，以其安全精確的療效，簡便快捷的治療在醫學美容界創造了一個又一個奇跡。激光美容使得醫學美容向前邁進了一大步，并且賦予醫學美容更新的內涵。

激光去除面部黑痣

激光去黑痣的原理就在于將激光在瞬間爆發出的巨大能量置于色素組織中，把色素打碎并分解，使其可以被巨噬細胞吞并掉，而后會隨著淋巴循環系統排出體外，由此達到將色素去去掉的目的。

激光去痣可以適用的痣的類型很多，比如包括上面提到的三種色素痣、太田痣、鮮紅斑痣等，療效都很明顯，并且不容易留疤，風險性小。用二氧化碳激光亦能去黑痣。

激光治療近視

提示下情況的患者不適合接受激光治療：第一.眼部活動性炎癥及病變；第二.眼周化膿性病灶；第三.已確診

的圓錐角膜；第四.嚴重干眼癥，伴有系統性干燥綜合征；第五.中央角膜厚度低于450μm；第六.嚴重的眼附屬器病變：眼瞼缺損、變形、慢性淚囊炎等；第七. 全身結締組織病及嚴重自身免疫性疾病，如系統性紅斑狼瘡、類風濕性關節炎、多發性硬化。

相對禁忌證

1.超高度近視伴后鞏膜葡萄腫者；2.初次手術前角膜中央平均曲率低于39D或高于47D應慎重；3.暗光下瞳孔直徑大于7mm；4.對側眼為法定盲眼；5.2年內曾患單純皰疹性角膜炎；6.輕度白內障；7.有視網膜脫離及黃斑出血病史；8.輕度干眼癥；9.輕度瞼裂閉合不全；10.可疑青光眼患者；11.月經期及妊娠期；12.瘢痕體質；13.糖尿病；14.感冒發燒等身體不適；15.癲癇；16.焦慮癥、抑郁癥以及對手術期望過高者。

激光除皺

激光除皺是通過電腦控制的、低能量的二氧化碳激光，能準確地控制汽化皮膚表層的深度，完成分層汽化、無碳化的面部除皺護膚技術。激光用于消除皺紋的技術，是激光技術應用于臨床以后，并幾經改進、完善與不斷更新后的結果。

原理：皺紋產生的主要原因是皮膚膠原減少，真皮層變薄。運用最新激光-射頻聯合技術照射皮膚，可使真皮層增厚、減少皺紋，其原理是：刺激受損的膠原層，產生新的膠原質，從而填平因膠原減少而出現褶皺的皮膚；加熱真皮組織層，利用人體自身修復機能刺激組織再生重建，使真皮層增厚。

合理設計的激光可以通過皮膚中的黑色素、血紅蛋白，尤其是水吸收激光釋放的能量，并產生光熱效應使之轉化為熱量，從而激活真皮中成纖維細胞等各種基質細胞產生新生的膠原蛋白、彈性蛋白以及各種細胞間基質，并發生組織重構，就象是給慵懶的皮膚做運動一樣，使其通過鍛煉而重新煥發年輕活力。數次治療之后的皮膚含水量及彈性增加，質地改善，細小皺紋減少。

適應癥：1、原發性癥狀：口周皺紋、眶周皺紋、萎縮性（凹陷性）疤痕、良性皮膚贅生物（腫瘤）；2、皮膚粗糙、毛孔粗大、細小皺紋等皮膚老化表現以及炎性痤瘡或痤瘡后瘢痕等。

高能超脈沖激光能夠把周圍組織的熱損傷降到最低程度。微小皺紋和凹陷疤痕也可進行精確磨削。超脈沖激光能避免以往機械磨皮法、化學剝脫術出血多，飛濺的血液、組織細屑可使病毒在病人與病人間、病人與醫務人員間傳播等不足，通過氣化病變組織來徹底消除皮膚損害，并使正常皮膚的熱損傷極小，這一過程的作用時間快于使周圍的正常組織也被加熱的所需時間，具有磨皮去皺的功能。

軍事

激光武器是一種利用定向發射的激光束直接毀傷目標或使之失效的定向能武器。根據作戰用途的不同，激光武器可分為戰術激光武器和戰略激光武器兩大類。武器系統主要由激光器和跟蹤、瞄準、發射裝置等部分組成，2013年通常采用的激光器有化學激光器、固體激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻擊速度快、轉向靈活、可實現精確打擊、不受電磁干擾等優點，但也存在易受天氣和環境影響等弱點。

激光武器已有30多年的發展歷史，其關鍵技術也已取得突破，美國、俄羅斯、法國、以色列等國都成功進行了各種激光打靶試驗。2013年低能激光武器已經投入使用，主要用于干擾和致盲較近距離的光電傳感器，以及攻擊人眼和一些增強型觀測設備；高能激光武器主要采用化學激光器，按照現有的水平，今后5—10年內可望在地面和空中平臺上部署使用，用于戰術防空、戰區反導和反衛星作戰等。

激光武器特點高度集束的激光，能量也非常集中。舉例說；在日常生活中我們認為太陽是非常亮的，但一臺巨脈沖紅寶石激光器發出的激光卻比太陽還亮200億倍。當然，激光比太陽還亮，并不是因為它的總能量比太陽還大，而是由于它的能量非常集中。例如，紅寶石激光器發出的激光射束，能穿透一張1/3厘米厚的鋼板，但總能量卻不足以煮熟一個雞蛋。

激光作為武器，有很多獨特的優點。首先，它可以用光速飛行，每秒30萬公里，任何武器都沒有這樣高的速度。它一旦瞄準，幾乎不要什么時間就立刻擊中目標，用不著考慮提前量。另外，它可以在極小的面積上、在極短的時間里集中超過核武器100萬倍的能量，還能很靈活地改變方向，沒有任何發射性污染。激光武器分為三類：一是致盲型。（激光劍）前面我們講過的機載致盲武器，就屬于這一類。二是近距離戰術型，可用來擊落導彈和飛機。1978年美國進行的用激光打陶式反坦克導彈的試驗，就是用的這類武器。還有科幻電影中，通過對激光武器的形變，產生的激光盾翼三是遠距離戰略型。這類的研制困難最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反衛星、反洲際彈道導彈，成為最先進的防御武器。

激光怎樣擊毀目標呢？科學家們認為有兩個方面：一是穿孔，二是層裂。所謂穿孔，就是高功率密度的激光束使靶材表面急劇熔化，進而汽化蒸發，汽化物質向外噴射，反沖力形成沖擊波，在靶材上穿一個孔。所謂層裂，就是靶材表面吸收激光能量后，原子被電離，形成等離體“云”。“云”向外膨脹噴射形成應力波向深處傳播。應力波的反射造成靶材被拉斷，形成“層裂”破壞。除此以外，等離子體“云”還能輻射紫外線或X光，破壞目標結構和電子元件。激光武器作用的面積很小，但破壞在目標的關鍵部位上，可造成目標的毀滅性破壞。這和驚天動地的核武器相比，完全是兩種風格。

激光武器的分類：不同功率密度，不同輸出波形，不同波長的激光，在與不同目標材料相互作用時，會產生不同的殺傷破壞效應。用激光作為“死光”武器，不能像在激光加工中那樣借助于透鏡聚焦，而必須大大提高激光器的輸出功率，作戰時可根據不同的需要選擇適當的激光器。2013年時，激光器的種類繁多，名稱各異，有體積整整占據一幢大樓、功率為上萬億瓦、用于引發核聚變的激光器，也有比人的指甲還小、輸出功率僅有幾毫瓦、用于光電通信的半導體激光器。按工作介質區分，目前有固體激光器、液體激光器和分子型、離子型、準分子型的氣體激光器等。同時，按其發射位置可分為天基、陸基、艦載、車載和機載等類型，按其用途還可分為戰術型和戰略型兩類。

1．戰術激光武器

戰術激光武器是利用激光作為能量，是像常規武器那樣直接殺傷敵方人員、擊毀坦克、飛機等，打擊距離一般可達20公里。這種武器的主要代表有激光槍和激光炮，它們能夠發出很強的激光束來打擊敵人。1978年3月，世界上的第一支激光槍在美國誕生。激光槍的樣式與普通步槍沒有太大區別，主要由四大部分組成：激光器、激勵器、擊發器和槍托。2013年，國外已有一種紅寶石袖珍式激光槍，外形和大小與美國的派克鋼筆相當。但它能在距人幾米之外燒毀衣服、燒穿皮肉，且無聲響，在不知不覺中致人死命，并可在一定的距離內，使火藥爆炸，使夜視儀、紅外或激光測距儀等光電設備失效。還有7種稍大重量與機槍相仿的小巧激光槍，能擊穿銅盔，在1500米的距離上燒傷皮肉、致瞎眼睛等。戰術激光武器的"挖眼術"不但能造成飛機失控、機毀人亡，或使炮手喪失戰斗能力，而且由于參戰士兵不知對方激光武器會在何時何地出現，常常受到沉重的心理壓力。因此，激光武器又具有常規武器所不具備的威懾作用。1982年英阿馬島戰爭中，英國在航空母艦和各類護衛艦上就安裝有激光致盲武器，曾使阿根廷的多架飛機失控、墜毀或誤入英軍的射擊火網。

2．戰略激光武器

戰略激光武器可攻擊數千公里之外的洲際導彈；可攻擊太空中的偵察衛星和通信衛星等。例如，1975年11月，美國的兩顆監視導彈發射井的偵察衛星在飛抵西伯利亞上空時，被前蘇聯的“反衛星”陸基激光武器擊中，并變成“瞎子”。因此，高基高能激光武器是奪取宇宙空間優勢的理想武器之一，也是軍事大國不惜耗費巨資進行激烈爭奪的根本原因。據外刊透露，自70年代以來，美俄兩國都分別以多種名義進行了數十次反衛星激光武器的試驗。2013年，反戰略導彈激光武器的研制種類有化學激光器、準分子激光器、自由電子激光器和調射線激光器。例如：自由電子激光器具有輸出功率大、光束質量好、轉換效率高、可調范圍寬等優點。但是，自由電子激光器體積龐大，只適宜安裝在地面上，供陸基激光武器使用。作戰時，強激光束首先射到處于空間高軌道上的中斷反射鏡。中斷反射鏡將激光束反射到處于低軌道的作戰反射鏡，作戰反射鏡再使激光束瞄準目標，實施攻擊。通過這樣的兩次反射，設置在地面的自由電子激光武器，就可攻擊從世界上任何地方發射的戰略導彈。高基高能激光武器是高能激光武器與航天器相結合的產物。當這種激光器沿著空間軌道游弋時，一旦發現對方目標，即可投入戰斗。由于它部署在宇宙空間，居高臨下，視野廣闊，更是如虎添翼。在實際戰斗中，可用它對對方的空中目標實施閃電般的攻擊，以摧毀對方的偵察衛星、預警衛星、通信衛星、氣象衛星，甚至能將對方的洲際導彈摧毀在助推的上升階段。

3．激光動力推進器

既然太陽不足以推動恒星際太空飛船，于是有科學家提出了激光動力推進器技術，利用一束強大的激光讓物體飛行。

激光雷達（laser radar）是指用激光器作為輻射源的雷達。激光雷達是激光技術與雷達技術相結合的產物。由發射機、天線、接收機、跟蹤架及信息處理等部分組成。發射機是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器及波長可調諧的固體激光器等；天線是光學望遠鏡；接收機采用各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等。激光雷達采用脈沖或連續波2種工作方式，探測方法分直接探測與外差探測。

通信

激光通信，是激光在大氣空間傳輸的一種通信方式。激光大氣通信的發送設備主要由激光器（光源）、光調制器、光學發射天線（透鏡）等組成；接收設備主要由光學接收天線、光檢測器等組成。

信息發送時，先轉換成電信號，再由光調制器將其調制在激光器產生的激光束上，經光學天線發射出去。信息接收時，光學接收天線將接收到的光信號聚焦后，送至光檢測器恢復成電信號，再還原為信息。大氣激光通信的容量大、保密性好，不受電磁干擾。但激光在大氣中傳輸時受雨、霧、雪、霜等影響，衰耗要增大，故一般用于邊防、海島、跨越江河等近距離通信，以及大氣層外的衛星間通信和深空通信。

早期的激光大氣通信所用光源多數為二氧化碳激光器、氦－氖激光器等。二氧化碳激光器輸出激光波長為10.6微米，此波長正好處在大氣信道傳輸的低損耗窗口，是較為理想的通信光源。從70年代末到80年代中期，由于在技術實現上難以解決好全天候、高機動性、高靈活性、穩定性等問題，激光大氣通信的研究陷入低潮。

1988年，巴西宣布研制成功一種便攜式半導體激光大氣通信系統。這種通過激光器聯通線路的軍用紅外通信裝置，其外形如同一架雙筒望遠鏡，在上面安裝了激光二極管和麥克風。使用時，一方將雙筒鏡對準另一方即可實現通信，通信距離為1千米，如果將光學天線固定下來，通信距離可達15千米。1989年，美國成功地研制出一種短距離、隱蔽式的大氣激光通信系統。1990年，美國試驗了適用于特種戰爭和低強度戰爭需要的紫外光波通信，這種通信系統完全符合戰術任務的要求，通信距離為2~5千米；如果對光束進行適當處理，通信距離可達5~10千米。

90年代初，俄羅斯研制成功了大功率半導體激光器，并開始了激光大氣通信系統技術的實用化研究。不久便推出了10千米以內的半導體激光大氣通信系統并在莫斯科、瓦洛涅什、圖拉等城市應用。在瓦涅什河兩岸相距4千米的兩個電站之間，架設起了半導體激光大氣通信系統，該系統可同時傳輸8路數字電話。在距離瓦洛涅什城約200千米以及在距莫斯科不遠的地方，也開通了半導體激光大氣通信系統線路。

隨著半導體激光器的不斷成熟、光學天線制作技術的不斷完善、信號壓縮編碼等技術的合理使用，激光大氣通信正重新煥發出生機。

激光測速

激光測速是對被測物體進行兩次有特定時間間隔的激光測距，取得在該一時段內被測物體的移動距離，從而得到該被測物體的移動速度。因此，激光測速具有以下幾個特點：

1、由于該激光光束基本為射線，估測速距離相對于雷達測速有效距離遠，可測1000M外；

2、測速精度高，誤差<1公里；

3、鑒于激光測速的原理，激光光束必須要瞄準垂直與激光光束的平面反射點，又由于被測車輛距離太遠、且處于移動狀態，或者車體平面不大，而導致激光測速成功率低、難度大，特別是執勤警員的工作強度很大、很易疲勞；

4、鑒于激光測速的原理，激光測速器不可能具備在運動中使用，只能在靜止狀態下應用；因此，激光測速儀不能稱之為“流動電子警察”。在靜止狀態下使用時，司機很容易發現有檢測，因此達不到預期目的；

5、價格昂貴，2013年經過正規途徑進口的激光測速儀（不含取景和控制部分）價格至少在一萬美金左右。

工業

激光在工業上，也應用極為廣泛，因為激光在激光束聚焦在材料表面的時候能夠使材料熔化，使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。七十年代后,為了改善和提高火焰切割的切口質量,又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。在工業生產中有一定的適用范圍。

激光玻璃

激光玻璃是一種以玻璃為基質的固體激光材料。它廣泛應用于各類型固體激光光器中，并成為高功率和高能量激光器的主要激光材料。

激光玻璃由基質玻璃和激活離子兩部分組成。激光玻璃各種物理化學性質主要由基質玻璃決定，而它的光譜性質則主要由激活離子決定。但是基質玻璃與激活離子彼此間互相作用，所以激活離子對激光玻璃的物理化學性質有一定的影響，而基質玻璃對它的光譜性質的影響有時還是相當重要的。

激光冷卻

激光冷卻（laser cooling）利用激光和原子的相互作用減速原子運動以獲得超低溫原子的高新技術。這一重要技術早期的主要目的是為了精確測量各種原子參數，用于高分辨率激光光譜和超高精度的量子頻標（原子鐘），后來卻成為實現原子玻色-愛因斯坦凝聚的關鍵實驗方法。激光冷卻有許多應用，如：原子光學、原子刻蝕、原子鐘、光學晶格、光鑷子、玻色-愛因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光譜以及光和物質的相互作用的基礎研究等等。

激光光譜

光譜（laser spectra）以激光為光源的光譜技術。與普通光源相比，激光光源具有單色性好、亮度高、方向性強和相干性強等特點，是用來研究光與物質的相互作用，從而辨認物質及其所在體系的結構、組成、狀態及其變化的理想光源。激光的出現使原有的光譜技術在靈敏度和分辨率方面得到很大的改善。由于已能獲得強度極高、脈沖寬度極窄的激光，對多光子過程、非線性光化學過程以及分子被激發后的弛豫過程的觀察成為可能，并分別發展成為新的光譜技術。激光光譜學已成為與物理學、化學、生物學及材料科學等密切相關的研究領域。

激光傳感器

激光傳感器（laser transducer）利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。激光是最準的尺。

激光測云儀

利用激光在大氣層中的衰減來判斷云層。具體的是當激光在大氣層中傳越時，由于發射的能量與接收的能量之間有能量差，利用能量的衰減度與云層的水分子的含量多少來判斷云層結構和距離的儀器。

核聚變

我國著名物理學家王淦昌院士1964年就提出了激光核聚變的初步理論，從而使我國在這一領域的科研工作走在當時世界各國的前列。1974年，我國采用一路激光驅動聚氘乙烯靶發生核反應，并觀察到氘氘反應產生的中子。此外，著名理論物理學家于敏院士在20世紀70年代中期就提出了激光通過入射口、打進重金屬外殼包圍的空腔、以X光輻射驅動方式實現激光核聚變的概念。1986年，我國激光核聚變實驗裝置“神光”研制成功，聶榮臻元帥還專門寫信祝賀。