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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流物理学与新技术.精品文档.物理学与新技术金属低温超导技术.基本理论的概述超导技术是研究物质在超导状态下的性质、功能以及超导材料、超导器件的研制、开发和应用的技术。某些物质在温度降低到一定值时电阻会完全消失，这种现象称为超导电性。具有超导电性的物质称为超导材料或超导体。超导材料包括金属低温超导材料、陶瓷高温超导材料和有机超导材料等。超导技术的开发和应用对国民经济、军事技术、科学实验与医疗卫生等具有重大价值。 超导电性是荷兰科学家H.K.昂尼斯1911年发现的，他在做低温实验时，意外发现汞线冷却到4.2K时电阻突然消失了。随后科学家们发现许多金属
2、、合金和金属间化合物也具有这种特性。1933年，德国人W.迈斯纳发现超导体具有高抗磁性 ，使磁力线不能透入， 人们称之为迈斯纳效应。1957年美国人J.巴丁、L.N.库珀、J.R.施里弗共同提出超导微观理论(BCS理论)。1962年，英国人B.D.约瑟夫森从理论上预言超导电流能够穿过一层极薄的绝缘体进入另一超导体，形成隧道超导电流。这种约瑟夫森效应随后为实验所证实。1986年初，美国国际商用机器公司苏黎世研究所的K.A.马勒和J.G.贝诺斯发现，钡镧铜氧化合物在30K时呈现超导电性。这种陶瓷超导材料的发现，为超导技术的发展开辟了新的途径。 1986年以前发现的超导材料是良导体金属、合金和金属间
3、化合物，其临界温度最高不过23.2K，而马勒和贝诺斯发现的超导材料却是氧化物，临界温度比低温超导体高得多,对超导研究具有划时代的意义,世界各国对此都十分重视。1987年中国成立了超导技术专家委员会和国家超导技术联合研究开发中心，统一领导全国的超导研究工作；同年7月美国总统提出总统超导倡议，要求政府采取必要措施支持高温超导研究；日本政府和民间企业、大学制订了共同开发超导材料的计划。各国超导科学家以陶瓷材料为对象寻找高临界温度的超导材料，形成了一股世界性的超导研究热，钇钡铜氧化合物、 铋锶钙铜氧化合物、 铊钡钙铜氧化合物等高温超导材料不断涌现。自1986年以来，中国在高温超导技术攻关中取得了一系列
4、重大成就，在某些领域达到了国际领先水平。 超导材料的另一个特性是具有约瑟夫森效应或超导隧道效应，即在两块超导体之间置一绝缘层(厚度约10埃)，这时的绝缘层会成为一个“弱”超导体，电流可在其中通过。 判断超导材料性能的指标是临界温度(TC)、 临界磁场(HC) 和临界电流(IC)。临界温度是指物质从有电阻变为无电阻的温度；临界磁场是指在一定的温度和无电流存在的情况下，超导体超导电性消失时的磁场阈值；临界电流是指能使超导体由超导态转变为正常态的电流密度值。TC、HC和IC数值越大，超导体的性能越好。 超导技术是一项具有重要应用价值和巨大开发前景的高技术，它在军事上的潜在应用可分为强磁和弱磁两大类。
5、 超导强磁技术主要是利用超导材料能够产生很高的稳态强磁场，据此将可制成超导储能装置、超导电机和电磁推进装置。超导储能装置。这种储能装置将可长时期储存大量的能量，然后根据需要加以释放。大型超导储能系统(储能10焦耳)将可作为陆基自由电子激光器或天基定向能武器的功率源。超导电机。这种电机的体积和质量将比常规电机显著缩小，功率成倍增长，效率大大提高，可为武器装备提供动力。电磁推进装置。用超导强磁材料制造的电磁推进装置，把电能直接转变为动力，将能以很高的速度推进大质量的物体，在军事上用作舰艇的动力装置，可消除传动噪声，提高隐蔽性；也可用作电磁炮的动力装置。 超导弱磁技术的理论基础是约瑟夫森效应。利用这
6、种效应制成的超导电子器件，将具有功耗低、噪声小、灵敏度高、反应速度快等特点，可进行高精度、弱信号的电磁测量，也可用作超高速电子计算机元器件等。主要的超导电子器件有：超导弱磁探测器件。超导量子干涉仪、电磁传感器和磁强计等，对磁场和电磁辐射的灵敏度比常规器件高得多，可用于军事侦察。超导计算机。采用约瑟夫森器件的超导计算机，运算速度将比普通计算机快几十倍，功耗减少到千分之一以下，散热性能很好。超导高频探测器。如超导红外探测器、参量放大器、混频器、功率放大器等，将使空间监视、通信、导航、气象和武器系统的性能远远超过利用常规器件时的性能。.超导磁悬浮超导体1911年荷兰科学家翁纳斯（Onnes）在测量低
7、温下水银电阻率的时候发现， 当温度降到零下269度附近， 水银的电阻竟然消失了！电阻的消失叫做零电阻性。所谓“电阻消失”，只是说电阻小于仪表的最小可测电阻。也许有人会产生疑问：如果仪表的灵敏度进一步提高，会不会测出电阻呢？用“持久电流”实验可以解决这个问题。由正常导体组成的回路是有电阻的，而电阻意味着电能的损耗，即电能转化为热。这样， 如果没有电源不断地向回路补充能量，回路中的电能在极短时间( 以微秒计)里全部消耗完，电流衰减到零。如果回路没有电阻，自然就没有电能的损耗。一旦在回路中激励起电流，不需要任何电源向回路补充能量，电流可以持续地存在下去。有人曾在超导材料做成的环中把电流维持两年半之久
8、而豪无衰减。由此可以推导出电阻率的上限为1023欧姆厘米，还不到最纯的铜的剩余电阻率的百万亿分之一。零电阻效应是超导态的两个基本性质之一。 超导态的另一个基本性质是抗磁性，又称迈斯纳(Meissner) 效应。即在磁场中一个超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。也就是说，磁力线完全被排斥在超导体外面。.磁悬浮列车的工作原理 磁悬浮列车利用“同名磁极相斥，异名磁极相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶，创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。 由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列
9、车也有两种相应的形式：一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持1015毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。 通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于它 磁悬浮列车与列车上的超导电磁体的相互作用，就
10、使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。 稳定性由导向系统来控制。“常导型磁吸式”导向系统，是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时，列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生排斥力，使车辆恢复正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时，控制系统
11、通过对导向磁铁中的电流进行控制，达到控制运行目的。 列车动能“常导型”磁悬浮列车及轨道和电动机的工作原理完全相同。 磁悬浮列车只是把电动机的“转子”布置在列车上，将电动机的“定子”铺设在轨道上。通过“转子”，“定子”间的相互作用，将电能转化为前进的动能。我们知道，电动机的“定子”通电时，通过电磁感应就可以推动“转子”转动。当向轨道这个“定子”输电时，通过电磁感应作用，列车就像电动机的“转子”一样被推动着做直线运动。.超导的应用1.优越的超导电机 普通发电机组中的材料载流量十分有限，由于电路中有电阻，总要发热，因此既不经济又不安全。用超导体制造电机，完全不发热，可以提高载流量，据专家计算，用超导
12、体制作电机，功率可以提高几十倍。2.省电的超导电路 普通的电路由于输电线的耗能严重，必须经过升压、降压的程序，而且也不可能作到完全不损耗。超导体导线则能完全解决这个问题。3.精密的超导仪器 一些精密的仪器，如核磁共振仪、电子显微镜等对磁场有非常严格的要求（强度要高、稳定性要高、磁感线分布要理想，有时还要求很大的尺寸），普通的材料很难达到要求，超导则能解决这个问题。4.神速的超导计算机 把超导体应用于计算机将会迎来科学史上的一次重大革命。理论研究表明：应用约瑟夫森效应制成超导器件，其开关速度可以比当前使用的半导体集成电路快十几二十几倍，而且它消耗的电能只有现在普通计算机的1% 。5.超导磁悬浮列
13、车在超导磁悬浮列车的研究中走在最前列十日本。1962年，日本着手设计磁悬浮列车，但当时是利用正常导体产生的磁场时速达到307.8km/h ，1997年，日本又试制了超导磁悬浮列车，关键部分是由两组超导电磁铁构成的，它们能提供极强的磁场，使列车的速度达到500km/h 。6.超导在医学的应用 超导在医学上可用在手术中，减少患者的痛苦，更能精确切除患处，如超导可视无痛人流等。.超导的前景随着智能电网写入“十二五”规划，其在国家战略性新兴产业中的地位逐渐显现。而按照国家电网的有关规划，2011年至2015年，智能电网将在输电、变电、配电、通信等七大方面进入全面建设阶段。在全球范围内，智能电网也正迎来
14、投资热潮，其中，超导技术在一定程度上决定着一个国家智能电网的竞争力。为此，美国在“美国电网2030”计划中提出，以超导电力技术建设骨干电网，美国能源部甚至将超导誉为21世纪电力工业唯一的高技术储备；日本新能源开发机构也认为，发展超导是21世纪保持尖端优势的关键所在。据国际超导工业界有关数据，2010年全球超导电力技术产业产值约75亿美元，预计到2020年，该产值将达750亿美元，也就是说，超导产业有望迎来“十年十倍”的迅猛增长。据业界人士介绍，在大规模建设智能电网过程中，超导是关键技术。如果超导电缆等的价格具有足够的吸引力，就将进入智能电网的商业化应用，前景非常广阔。为此，上海市在2010年5
15、月发布的上海推进智能电网产业发展行动方案(2010-2012 年)中，明确提出超导限流器是上海市智能电网产业发展的重点。其实，超导技术距今已有整整100年历史。1911年，荷兰莱顿大学的卡末林昂内斯发现汞冷却到-268.98时电阻突然消失，后来他又发现许多金属和合金都具有类似特性，该发现引起广泛关注。人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗。经过多年的技术发展，超导目前已经进入产业化阶段。据悉，超导包括超导发电机、超导变压器、超导电缆、超导限流器以及超导储能技术等。记者日前从国家电网公司获悉，国网天津电力公司的世界首台220KV超导
16、限流器项目即将挂网运行，这是我国超导产业继云南普吉和甘肃白银两大项目之后在电网行业应用的又一重大突破，意味着超导产业化进程正在加快。据了解，该项目自2006年立项、2007年启动以来，经过几年的设备研制，现已成功进入实验运行阶段。目前参与该项目的有技术方云南英纳超导公司和设备方天津百利电气。此外，国家电网正在筹建一条长约1公里、110kv高温超导电缆示范项目，计划2012年建成。国家电网和南方电网对于超导的试验示范工程建设和投资将大大刺激国内超导设备产业的发展，超导产业巨大的投资前景也因此浮现。发展超导是一个“长跑”中国电科院超导电力研究所所长来小康日前在接受本报记者专访时表示，国内的这些超导
17、试验工程意义重大，目的是在工程中尽量多应用超导技术。“超导现在虽然不具备大规模产业化的条件，但是不能消极等待，一定要通过扩大示范来刺激相关设备的发展，从而推动超导产业发展，进入良性循环。就像电动汽车一样，虽然比燃油汽车贵，但是我们不能等待，必须逐步发展，否则技术就难以进步。”来小康说，“发展超导是一个长跑，必须尽量跟上国际水平，通过应用激励相关产业发展。”据业内专家测算，高温超导导线的通电能力比相同截面铜导线的通电能力大100倍以上，若用超导电缆在某些环节取代铜或者铝的输电线路，将节约大量不必要的浪费。以超导限流器为例，500kv的超导限流器将比普通电抗器每年节省电费200万元人民币。中电联有
18、关人士认为，我国超导输电技术的研究能力已达到国际先进水平。而超导在电网领域的巨大应用则刚刚拉开帷幕。激光技术激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、 镭捷激光灯管“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。 激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所
19、未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。 .起源激光的理论基础起源于大物理学家爱因斯坦，1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论受激辐射。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。 1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将钠光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。
20、根据这一现象，他们提出了激光原理，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光-激光。他们为此发表了重要论文。肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。 1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。 1960年7月7日，梅曼研制成功世界上第一台激光器，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激在红宝石色水晶里的铬原子，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，可使其达到比太阳表
21、面还高的温度。 .历史可携式半导体纤绿激光器爱因斯坦在1930年代描述了原子的受激辐射。在此之后人们很长时间都在猜测，这个现象可否被用来加强光场，因为前提是介质必须存在着群数反转（或译居量反转）的状态。在一个二级系统中，这是不可能的。人们首先想到用三级系统，而且计算证实了辐射的稳定性。 1958年，美国科学家肖洛（Schawlow）和汤斯（Townes）发现了一种神奇的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了激光原理，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光-激光。他们为此发表
22、了重要论文，并获得1964年的诺贝尔物理学奖。 肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。1960年5月16日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。 1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤
23、细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。 前苏联科学家尼古拉巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是：尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。 一、物质与光相互作用的规律 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。 微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的 物质与光相互作用的规律状态（或者简单地表述为处在某一个能级上）。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级
24、，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差E，频率为=E/h（h为普朗克常量）。 光子-图册(2张)1. 受激吸收（简称吸收） 处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。 2. 自发辐射 粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率 =（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。
25、众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光。 3. 受激辐射、激光 1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为 =（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。 可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生
26、受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。 二、粒子数反转 爱因斯坦1917提出受激辐射，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是，普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统 激光计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能
27、级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。 理论研究表明，任何工作物质，在适当的激励条件下，可在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转。若原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1,E2和E1能级上的布居数密度为N2和N1，在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方 向。因此，大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均
28、正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时，两种过程的几率相等。在热平衡情况下N2N1,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下，受激发射跃迁占优势。光通过一段长为l的处于粒子数反转状态的激光工作物质（激活物质）后，光强增大eGl倍。G为正比于（N2-N1）的系数，称为增益系数，其大小还与激光工作物质的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。 如果，把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜（其中至少有一个是部分透射的）构成的光学谐振腔中（图1），处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外：轴向传播的光波却能在腔内往返传播,当它在激
29、光物质中传播时，光强不断增长。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗（G0l是小信号增益系数），则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）。同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话，会导致原子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收）；然后，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射）。这些运动不是孤立的，而往往是同时进行的。当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，受激辐射得到放大从而比受激吸收要多，那么总体而言，就会有光子射出，从而产生激光。 .激光50年发展
30、时间表 1917年：爱因斯坦提出“受激发射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。 1953年：美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（英文首字母缩写maser） 1957年：Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利，相关法律纠纷维持了近30年。 1960年：美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光 1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。 1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用
31、激光器的支柱。 1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。 1971年：激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。 1974年：第一个超市条形码扫描器出现 1975年：IBM投放第一台商用激光打印机 1978年：飞利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机，不过价格很高 1982年：第一台紧凑碟片（CD）播放机出现，第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。 1983年：里根总统发表了“星球大战”的演讲，
32、描绘了基于太空的激光武器 1988年：北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。 1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造 1991年：第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。 1996年：东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器 2008年：法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤 2010年：美国国家核安全管理局（NNSA）表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘（质量数2）和氚（质量数3），解决了核聚变的一个关键困难。 .特点（一）定向发光普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置
33、，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。 （二）亮度极高在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（
34、光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。 激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。 .激光的颜色 激光的颜色取决于激光的波长，而波长取决于发出激光的活性物质，即被刺激后能产生激光的那种材料。刺激红宝石就能产生深玫瑰色的激光束，它应用于医学领域，比如用于皮肤病的治疗和外科手术。公认最贵重的气体之一的氩气能够产生蓝绿色的激光束，它有诸多用途，如激光印刷术，在显微眼科手术中也是不可缺少的。半导体产生的激光
35、能发出红外光，因此我们的眼睛看不见，但它的能量恰好能解读激光唱片，并能用于光纤通讯。但有的激光器可调节输出激光的波长。 .激光分离技术 激光分离技术主要指激光切割技术和激光打孔技术。激光分离技术是将能量聚焦到微小的空间，可获得1051015W/cm2极高的辐照功率密度，利用这一高密度的能量进行非接触、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，几乎可以对任何材料实现激光切割和打孔。激光切割技术是一种摆脱传统的机械切割、热处理切割之类的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点。激光打孔方法作为在固体材料上加工孔方法之一，已成为一项拥有特定应用
36、的加工技术，主要运用在航空、航天与微电子行业中。 （三）颜色极纯光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越
37、好。 激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到210-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。 （四）能量密度极大光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.84610（14）Hz到7.89510（14）Hz。 电磁波谱可大致分为： （1）无线电波波长从几千米到0.3米左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波； （2）微波波长从0.3米到10-3米，这些波多用在雷达或其它通讯系统； （3）红外线波长从10
38、-3米到7.810-7米； （4）可见光这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从780380nm。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分； （5）紫外线波长从3 10-7米到610-10米。这些波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强； （6）伦琴射线 这部分电磁波谱，波长从210-9米到610-12米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的； （7）伽马射线是波长从10-1010-14米的电磁波
39、。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。由此看来，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因为它的作用范围很小，一般只有一个点），短时间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，激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。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，整束光就好像一个“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。 .伤害激光波长与
40、眼睛伤害：在激光的伤害中，以机体中眼睛的伤害最为严重。波长在可见光和近红外光的激光，眼屈光介质的吸收率较低，透射率高，而屈光介质的聚焦能力（即聚光力）强。强度高的可见或近红外光进入眼睛时可以透过人眼屈光介质，聚积光于视网膜上。此时视网膜上的激光能量密度及功率密度提高到几千甚至几万倍，大量的光能在瞬间聚中于视网膜上，致视网膜的感光细胞层温度迅速升高，以至使感光细胞凝固变性坏死而失去感光的作用。激光聚于感光细胞时产生过热而引起的蛋白质凝固变性是不能可逆的损伤。一旦损伤以后就会造成眼睛的永久失明。 激光的波长不同对眼球作用的程度不同，其后果也不同。远红外激光对眼睛的损害主要以角膜为主，这是因为这类波
41、长的激光几乎全部被角膜吸收，所以角膜损伤最重，主要引起角膜炎和结膜炎，患者感到眼睛痛，异物样刺激、怕光、流眼泪、眼球充血，视力下降等。发生远红外光损伤时应遮住保护伤眼，防止感染发生，对症处理。 紫外激光对眼的损伤主要是角膜和晶状体，此波段的紫外激光几乎全部被眼的晶状体吸收，而中远以角膜吸收为主，因而可致晶状体及角膜混浊。1 可见波长激光的警告标签激光器通常都会标示有着安全等级编号的激光警示标签：2 第1级 (Class I/1)：通常是因为光束被完全的封闭在内，例如在CD播放器内。 第2级 (Class II/2)：在正常使用状况下是安全的，这类设备通常功率低于1mW，例如激光指示器。 第3
42、a/R级 (Class IIIa/3R)：功率通常会达到5mW，注视这种光束几秒钟会对视网膜造成立即的伤害。 第3b/B级 (Class IIIb/3B)：在暴露下会对眼睛造成立即的损伤。 第4级 (Class IV/4)：激光会烧灼皮肤，即使散射的激光光也会对眼睛和皮肤造成伤害。.中国的激光产业发展中国光学学会激光加工专业委员会副主任邓鸿林先生谈激光行业、企业的发展现状和未来之路。 作为我国工业激光风向标的大功率激光切割装备，其市场令人振奋。2010年11月上海国际工业博览会上，国内外20家厂商展出了30台大功率数控激光切割机，是历年国内各种展会上展商与展品最多的一年。展品的亮点是：国产三维
43、激光切割机、国产光纤激光切割机及进口激光与冲裁复合机。会上有6台（4台平面机，2台机器人）国产光纤激光切割机展示6mm以下金属板的切割。 激光功率已不足以描述切割能力的大小，亮度（Brightness）才是。亮度的定义是“单位面积单位立体角的激光功率”。 对比CO2激光器、碟片激光器和光纤激光器，可以得出这样的结论：直到5千瓦，以光纤激光的亮度最大，切割金属板最快最厚的当属光纤激光。但实际上切割厚板尚不如CO2激光，尽管碳钢对近红外的1.07掺镱光纤激光的吸收率数倍于中红外10.6的CO2激光，但10倍于光纤激光波长的CO2激光之切缝比光纤的宽得多（一般2mm），氧气易于吹入。 这就是CO2激
44、光46年来一直独占固体激光之鳌头的缘由。 第一，国产激光切割机的量产与自主开发力度的加大，外国一线公司在华本土化的生产，缩小了二者的产品差距与价格差距。用户对国产机的认同度不断提高，其在2010年国内市场的占比高达80%。 第二，2010年我国千瓦以上大功率CO2激光切割机销量达1000台，占全球市场的20%-25%。上海团结普瑞玛、大族激光、武汉法利莱、奔腾楚天等一线厂商都有大幅的增长。最多一家竟占了国内市场的30%。 市场兴旺得力于扩大内需，但主要是这种加工手段的魅力，特别在铁路钢铁、工程机械、汽车造船、航空航天和军工等高端市场的旺盛需求。 明年市场难料，但可深信一点，今年大起，明年绝不会
45、大落，作为制造大国的中国，保有量不会低于10000台。须知2000年前的10年我国的总量才280台。 第三，我国大功率激光切割装备的产业链远未形成，尚无自主知识产权的新型大功率激光器，无论激光器还是切割机的关键元部件都得依赖进口。价昂的电容切割头及作为耗材的光学镜片等的研发生产，迄今都无人问津。成不了国内配套，进军海外市场不过是梦想。唯有待到国产整机批量出口之日，才是我国这一产业的形成之时。 第四，光纤激光是当前的热门话题。ROFIN与TRUMPF分别收购NUFERN与SPI公司发展光纤激光已三年，今春上海慕尼黑激光展上，ROFIN展出了2KW光纤激光器，但全球高功率光纤激光器市场依然是IPG
46、一统天下。继上年SALVAGNINI与LASER PHOTONICS等公司展出用其的光纤激光器之切割机后，2010年11月在亚特兰大的FABTECH 与汉诺威的EUROBLECH 展会上又推出愈来愈多的光纤激光切割机。欣喜的是一批海归博士矢志回国创业，创建了武汉锐科光纤激光、西安炬光等公司，研发生产高功率光纤激光器与二极管激光泵源，相信有自主知识产权的4KW连续波光纤激光器不久将会呈现在国人面前。 现代激光器超快激光器是太阿激光基于SESAM锁模技术的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飞秒激光器开发的激光器。 Amberpico系列皮秒激光器具有超短脉冲宽度（小于15p
47、s）、高单脉冲能量（最大单脉冲能量30mJ）、高重复频率（1kHz以上）和值得信赖的优良输出性能, 太阿激光机Amberfemto系列飞秒激光器脉冲宽度小于200fs，重复频率1Hz100kHz可选，具有优异的空间模式和卓越的功率稳定性。可以实现高效的二倍频、三倍频、甚至四倍频光的输出。波长范围遍及红外、绿光、紫外，波长最短可以达到266/263nm。二者是卫星测距、激光精细微加工、非线性光学、激光光谱学、生物医学、强场光学、凝聚态物理学等科研领域强有力的研究工具。超快激光事业部致力于为客户提供稳定的高性能超快激光器系统，其部门拥有一批在超快领域工作多年的研发人员，并且在电源、控制和制冷等方面研发实力强大，使国科激光有能力进一步为客户提供更多定制和高性能的产品，更优质的服务，在填补国内空白的基础上大力推广潜力巨大的超快激光器应用市场，促进民族激光产业的振兴。是基于SESAM锁模技术的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飞秒激光器开发的激光器。 皮秒连续锁模激光器皮秒连续锁模激光器就是脉