科普| 激光、激光器和激光晶体
1. 引言
激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，Laser）是20世纪的重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”，已广泛应用于制造加工、信息通信、医疗诊治、激光武器等军民领域。随着新型激光器和激光新应用的持续涌现，激光技术将在创新型国家建设和提升国际产业竞争能力中发挥重要作用。我国激光技术发展非常迅速，在数量和质量上都可以与国际水平相媲美。鉴于激光技术和应用发展的重要性，2018年中国工程院组织开展了“我国激光技术与应用2035发展战略研究”重点咨询研究项目，有利于加快发展我国激光技术及应用，推动和引领经济产业转型升级。
2. 激光的发展历程
激光是一种特殊的电磁波，是光与物质的相互作用。其产生的基本物理基础是爱因斯坦在1916年《关于辐射的量子论》论文中提出的受激辐射理论。即原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，处在高能级的原子，可以在外来光子的刺激或感应下，跃迁到低能级，同时发射出一个与之完全相同的光子。1953年，根据爱因斯坦的受激辐射原理，美国物理学家汤斯研制成功了微波放大器，并获得1964年的诺贝尔物理学奖。1960年，美国科学家梅曼研制出世界上首台红宝石激光器，标志着激光研究工作的开端。之后的几个月，我国第一台红宝石激光器在中国科学院精密机械研究所诞生，从此，我国激光技术飞速发展。
3. 激光的应用
激光由于高亮度、高方向性、单色性和相干性好等特点，被广泛应用于工业制造、信息通信、医疗美容、军事装备等领域。激光与相关技术的发展与融合，形成了激光制造、激光检测、激光医疗、激光通信、激光武器等交叉技术学科，并孕育和发展出多种类型的激光产业和系列装备。激光技术是一项重要的工具性技术，其应用可加速改变和重构加工制造行业、医疗行业、信息通信等领域的面貌。激光技术也是一项具有极强渗透性的基础性技术，其衍生的激光产品的经济价值远远超过了自身的经济价值。另外，激光技术孕育孵化新应用的能力很强，能够不断与其他技术融合创造新应用和新产业，具有突出的产业引领性特征。
在前沿科研方向领域，前沿激光技术是关系到占领未来科技战略制高点的关键技术之一，是国际上各国激烈竞争的焦点。主要包含新型半导体激光器、超快超强激光器、深/极紫外激光器、高能固体激光器和自由电子激光器等几个发展方向。
在智能制造行业领域，使用激光技术是未来的发展趋势，能够体现出一个国家在制造设备中的生产加工水平能力和市场竞争能力。主要包括激光焊接、激光打孔、激光切割、表面处理及微加工、激光测距等。在加工制造过程中，激光技术有高亮度、高效率、聚焦光斑小、热影响区小、工件不会因加工出现大的形变等优点。另外，激光技术的加工属于非接触式，使用寿命长，并且稳定性较高。因此，激光技术被誉为“万能加工工具”、“未来制造系统共同的加工手段”，促进了先进制造业的发展，对工业智能化进程产生深远影响。
在信息通信领域，激光通信具有保密性好、通信速率高、频带宽、抗电磁干扰、施工简单、体积小等优势，十分适合大数据的传输。主要包括大气激光通信、宇宙激光通信、光纤激光通信和水下激光通信。激光通信是高速互联网和5G数据传输的主要方式，还是高精度测量传感、无人驾驶和量子通信的重要基础。有利于推进我国实现空天地海一体化发展规划及“海洋强国”战略的实施。
在医疗领域，激光技术已是不可替代的一类技术手段，广泛应用于内科、外科、牙科、妇科、耳鼻喉科、心血管科、皮肤科等300多种疾病的治疗，还被应用于肿瘤等恶性疾病的检查与诊断。与传统手术治疗效果相比，激光手术作用时间较短，可减少出血，降低术后细菌感染的风险。激光技术以其精准性、微创或无创性引领医学治疗模式的转变。
在国防领域，激光已应用于雷达、测距、成像、指向、制导、通信及对抗等，改善了武器装备性能，而且某种意义上也改变了现代战争的面貌。第一支激光枪诞生于美国，可致盲、近距离引爆，被称为最富有攻击力的单兵装备。近年来，受小型无人机应用快速发展的影响，低空防御型激光系统因作为和平时期重要地点、重大活动安防不可或缺的手段而得到快速发展。
4. 激光器的结构
按照工作物质的不同，激光器可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和自由电子激光器等。固体激光器由于转换效率高、光束质量好、稳定性高、体积小、使用寿命长等优点，在各类激光器中占据着主要地位。
固体激光器由激光增益介质、激励源和谐振腔组成，其中增益介质是核心，由基质材料和激活离子组成。基质材料主要有玻璃、陶瓷、光纤和晶体，激活离子主要包括过渡族离子和稀土离子。晶体因其周期性和各向异性而备受关注。常见的基质晶体材料有氧化物、氟化物、溴化物等。经过多年的发展，应用较为成熟的三种激光晶体为：适用于高功率激光器的Nd:YAG晶体；适用于中低功率激光器的Nd:YVO4晶体；适用于波长可调谐及超快激光器的Ti:Al2O3晶体。结合非线性光学效应，目前已在各种晶体材料中实现了紫外、可见、近红外、中远红外激光输出，基本满足了生产生活所需。
5. 未来发展趋势
未来我国激光产业仍将快速发展，随着节能环保要求、传统制造业技术升级及结构调整要求、海量数据高速传输与存储要求、远距离通信要求等的提高，激光加工、激光显示、激光存储、激光雷达、激光无线电通信等技术有着巨大的发展空间，这将要求激光器向着高功率（拍瓦）、新波段（深紫外、远红外）、小型化与集成化方向发展。