主题：激光知识问答，请大家点菜，呵呵 -- 吾富有钱时

第一贴是回答1001n老大的问题，其实最好的是从头讲起。但是我没这么多时间和精力，也没有这么严密的系统思维。请大家有具体问题尽管问，我回答不上的还可以咨询我身边的专家。不过问题尽量具体，最好先了解一点基础知识。

1、激光介质，似乎有固相、气相和液相，也许还有其它的相？这些不同的物质形态相，生成的激光有什么区别？比较起来，哪种在过去比较流行，为什么？哪种会在将来比较有发展，又为什么？

我目前了解到的，也就是这3种，据说还有个自由电子激光器，是没相，我感觉其实和气体差不多，气体发射激光时放电，也是差不多等离子体状态。液相主要就是染料激光器，优点是通过选择不同染料，可以改变激光输出的波长。近年来由于光参量振荡器（OPO）和光参量放大器（OPA）发展迅速，染料激光器的市场份额大减。至于哪种比较流行，没有固定的说法，比较确定的是固态化甚至全固态化是发展的趋势，因为比较结实耐用，不怎么需要维护修理。气体的也有不可替代之处，除了氮分子激光器基本已被淘汰之外，其它的气体激光器，如HeNe、 Ar＋、HeCd、Cu2＋等等，由于可以输出不同波长的连续（注意是连续，光参量振荡器和光参量放大器改变波长都是脉冲激光器，染料也可以输出连续激光，但是效率极低）激光，目前还不能完全被固体激光器替代。而CO2激光器由于既可以连续工作，也可以高能量脉冲工作，波长正好是大气透过窗口，因此具有无可替代的地位。目前发展最快的激光器当属半导体激光器，这类激光器效率高，体积小，环境适应性强，只要发射介质允许，波长可调范围很大。现在主要的工作波长是红光和近红外，以及少数的几个紫外波长。不过半导体激光器普遍的模式不好，方向性和相干性差，完全取代气体激光器目前来看还是希望渺茫。补充一点，气体激光器中还有一个大类别，就是准分子激光器。这类激光器原理独特，没有基态而只有激发态，因而特别容易达到比较高的粒子数反转布居状态（高品质因数）。效率在气体激光器中是非常高的，发射大多在紫外和深紫外。作眼科手术的氟化氪激光器，发射在193 nm，就是一种典型的准分子激光器。

2、激光介质，到底是如何选定的呢？例如，蓝宝石激光，怎么就单单选中了蓝宝石呢？二氧化碳激光，又怎么会看上二氧化碳呢？以后研发新的激光介质，又会基于什么原理去研发和筛选呢？

选定激光介质主要是看需要的激光波长。红宝石激光器和蓝宝石激光器，其工作介质并不是宝石而是其中掺杂的金属离子。红宝石应该是Cr3＋，蓝宝石（应该就是钛宝石）应该是Ti3＋。同样，掺钕的钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器其工作介质也不是石榴石，而是其中掺杂的钕离子。蓝宝石激光器为什么选中了惨钛的蓝宝石，说起来比较复杂。选择它的原因应该作一个横向比较来简要说明，对象是普遍应用的Nd:YAG。其实YAG激光器性能十分优秀，无论是功率还是耐用性能都极佳，唯一的弱点就是钕离子的发射波长范围太窄。这么说不是因为要选不同输出波长，而是锁模的要求。锁模是什么我就不解释了，其实我自己也没有系统了解。大家只需要知道这一点就行了：锁模激光器可以出短脉冲，激光发射介质模式越多，锁模之后得到的脉冲就越短。而钕离子由于是稀土离子内层电子发光，性质类似于原子发射，线宽很窄，只有几个纳米，所以模式数目有限，锁模之后最多只能得到10皮秒左右（似乎可以有1皮秒，我不是太确定）的脉宽。而钛宝石中钛离子是配位场发射，波长范围达几百纳米，锁模之后可以得到100甚至20飞秒的脉宽，经过非共线光参量放大器（NOPA）的压缩，还能小到5个飞秒。

CO2作为激光工作介质主要优点是它的输出波长是10.6微米（YAG是1.06，1064纳米，比较容易混淆），正好是大气的透过窗口。所以在测距方面有不可替代的优势。虽然是气体放电激光器，它目前的小型化作的也很好了。同时，CO2激光器的巨脉冲输出也很厉害，具体参数我不清楚，武器级的也是很有发展前途的。不过受气体激光器原理限制，不大可能做到单模输出，因此巨脉冲工作有效距离有限。估计即使未来作为武器出现，攻击目标也只能是大气层内的飞机和导弹，不大可能攻击卫星。

3、各种激光器的激光转化效率，哪个高？功率上，哪个容易做大，哪个容易做持久？

不同的激光器有不同的泵浦方式。气体激光器和半导体激光器都是电泵浦，而各类宝石晶体激光器和染料激光器都是光泵浦。还有化学激光器是化学能泵浦。效率最高的当属半导体激光器，能量效率最高的可以做到60％，这是个很恐怖的数字，超过了一般日光灯电光转换效率的二倍。工作持久性这种激光器就不行了，主要原因是其核心的晶体表面容易氧化，一般保持技术参数下的工作寿命也就是10年（还是比日光灯厉害，呵呵）。气体激光器电极容易变质。其它的各种固体和液体被动式激光器，如染料，钛宝石，半导体激光器泵浦的YAG等等，只要没有机械损坏，几乎都没有使用时间限制。总之，用电泵的，寿命短些，用光泵的，基本都是寿命无限长——但是它的泵光源还是电泵的，鸡生蛋，蛋生鸡，呵呵。

4、激光使用的光学部件，和普通的光学部件（比如透镜）有没有区别？如果有，是什么，又为什么？

激光使用的光学部件和普通光学部件基本没有差别，主要就是各种反射镜，因为普通光没有这么好的单色性和单向性，所以这些介质膜反射镜一般只给激光用。但是不是不能用于普通光。

5、常看到核动力激光的说法（不知道是不是科幻，呵呵）。技术上能实现么？

这个我不了解，应该是指核电站为巨型激光器单独供电以保持电压稳定吧？不过具体我就不清楚了，我还真想不到什么样的激光器能用电这么多。

6、激光的用途除了常见的以外，在比如化学方面这样的专门用途上，又有什么贡献？

呵呵，这个就是我的本行了，慢慢说慢慢说。激光在化学方面的应用可以分为两个方面，一是制备和加工，另一个是分析和探测。先说制备和加工。激光诱导沉积是制备纳米材料的一个方法，不过这个技术，比较接近于物理了。第二个就是激光诱导聚合，利用激光的良好聚焦性能，可以加工出任意三维形状，高精度的微型元件和结构。现在一个新兴的领域是双光子微加工，可靠性和精度更高。不过这个比较接近工程。第二方面是分析和探测。一个很大的应用方面是近场光学显微镜和共聚焦显微镜。这两类技术在表面性质研究和生物显微研究方面用处极大。目前的技术发展正如火如荼，不过中国现在只能是用用而已，技术的没有。另外一个是激光光谱，就是我目前干的行当了。利用激光的短脉冲特性，高能量密度特性，单色性（有时需要，但不是必须），可以分析化学物质的吸收，荧光，磷光，拉曼，光电子能谱等等不同的谱学性质，以得到详细的结构信息。在这里，激光最关键的性质就是脉冲特性。脉冲特性可以使我们能得到更高的能量密度，可以得到以前得不到的谱学现象，如受激拉曼散射等等。同时，时间分辨意义更为重大，就像电影放慢镜头一样，利用时间分辨激光光谱，我们可以把分子中电子的行为和分子本身的行为，切成一片片的，仔细观察和研究。在这方面，中国落后很大，主要是资金投入不足，相关研究开展甚少。同时这个领域需要大量的先进电子技术，也正是我国缺少的。

7、激光在发展的这么多年里，有没有什么有意思的故事？嘿嘿，本人比较喜欢听故事，特别是跟科学沾边的故事——以便伪装得更具有科学素质一些，嘿嘿。。。

由于我不是科班出身，没听过系统的激光原理及技术方面的课程，所以没啥故事可讲。我能记住的比较特别的东西很有限。第一就是激光的原理，基本原理来自爱因斯坦的预言。老爱真是牛人，几十年前就准确预言了受激辐射，而且这还是一个深刻的改变了世界和人类认知的领域。要是老爱能活到激光技术出现的那一天，再一个诺贝尔是少不了的。不过可能他已经不在乎了。第二个就是激光其实是受激辐射的一种，全称是受激发射的光放大。自然的，具有光受激发射，就有其它的受激发射。在激光出现之前，就已经实现了微波的受激发射，这也是给激光技术先驱们鼓劲的动力之一。不过目前，微波的受激辐射由于能量密度的限制，发展远不如激光技术轰轰烈烈。再有就是发明激光器基本结构那个老大，直到近几年才拿到专利，晚了40多年。看似损失了40多年的钱，实际上赚大了。因为专利保护就15年，前几年激光产业没这么大，现在来收钱，正是时候。不过也不能太晚，太晚就死翘翘了，花不着了，呵呵。

8、中国的激光发展，在世界上究竟处于什么地位？除去老兄说的激光介质以外，在激光理论、实践上，有什么独到之处？有什么不足之处？如果领先，是不是很稳定？如果落后，能不能很快赶上？

中国激光技术开始并不落后，中国人独立作出的激光器，比美国的研究组也就晚了一年左右（具体不记得），当然，理论基础是一样的，但不是仿造。70年代之后，中国激光器理论如何我不清楚，技术实践却大幅度落后了。这主要原因在于，激光技术其实并不是一个整体独立的技术，而是由几个方面合成的。一是机械加工及设计；二是电子控制；三是新型激光介质与晶体；四是理论。前两个我们都是大大落后的，时至今日，也无太大改善。总而言之是精密微加工方面的普遍落后造成的。第三个方面我们正在或已经赶上了先进水平。其实这个方面是激光技术的核心，如果我们在别的方面赶上，这个方面不行，后果会更惨。只不过目前我们综合国力不行，因此核心技术的领先也体现不出个核心的样子来。第四个方面我们一直在亦步亦趋，落后没多久，先进也没有。目前我国有很多从各个先进实验室回国的人才，使我们在先进的激光器设计方面也有了一些独创性的工作，不过整体比重还不是很大。

不过激光技术，真正全面领先的也就是美国。德国和俄国各有几个突出领域，其意义还不如中国的激光晶体。而日本先进的是电子技术，特别是快速电子管技术。不过他们的激光器制造已经放弃了，比较奇怪，不知为什么。

中国的激光技术正在稳步上升，真正的绊脚石还是微加工和精密机械加工。这两个方面是中国所有产业的绊脚石。这些问题解决了，小日本的死期就到了他们再也不能靠那些高附加值产业剥削其它国家养活国内的那些磨洋工的轻工业农业和服务业了。到时候他们不来主动贴乎我们，就是要撕破脸皮动手了，因为那时候他们的所有技术优势都敌不过我们的成本优势。现在的高效率到时候就会露馅，大家就会看到他们高效率掩盖下的致命的低效率。