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第一部分3（第3页）

原子丢掉最外层的电子后就成了离子，丢掉几个电子就叫几价离子。气态离子的激光工作物质大致也分两类：氩、氪、氙等惰性气体离子激光器；镉、硒、锌、铜等金属蒸气离子激光器。离子气体激光功率虽比原子气体高一些，但激光波长大多数在紫外和可见光部分，所以使用有一定的范围。

中性气体的激活成分有三类：一氧化碳、氮气、氢气、氧气等双原子分子；二氧化碳、氧化二氮、水蒸气等三原子分子以及少数多原子分子。分子气体激光器的特点是：波长范围最广，从紫外到远红外都有激光产生，输出功率大，转换效率高。其中二氧化碳（ＣＯ＼－２）激光波长为10。6微米，正好落在大气窗口，能在大气中传得很远，又处于不可见的中红外区，功率大、效率高，所以，在军事上应用很广。

在气体激光介质中，除激活成分外，一般还掺入适量辅助气体，以提高激光输出功率，改善激光性能和延长激光器寿命等。

气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。电能激励中又有直流电、交流电、射频放电等方式之分。

功率巨大的化学激光器

通过化学反应实现粒子数反转的激光器叫化学激光器。尽管它的工作物质多用气体（也有用**的），结构大多和气体激光器相似，但在化学反应的引发、粒子数反转过程等方面有其特殊性，尤其必须通过化学反应实现激光器的运转，所以，并不把它并人气体激光器而单独介绍。

化学物质本身蕴藏有巨大的化学能，比如每公斤氟、氢燃料反应生成氟化氢（HF）时，能放出约1。3×10＼＋７焦耳的能量。由于它能在单位体积内集中有大量的能量，当化学能直接转换为受激辐射时，就可以获得高能激光。另外，它的装置体积不大，重量又轻，很受军方青睐。1978年美国海军的舰载激光武器打靶试验，就是采用40万瓦连续波氟化氘（DF）化学激光器。我国自行设计研制的l太瓦（等于l兆兆瓦）大型高功率激光器—神光装置也是一台化学激光器。美国曾研制过一种台式化学高功率激光系统，瞬间功率达10太瓦（等于10兆兆瓦），相当于美国全部发电站总输出功率的20倍！

由于化学激发能源来自化学反应，因而基本上无需外部提供能量，对外依赖性很小，这对野外和军事应用实在是求之不得的。前面所讨论过的激光器都必须外激发能源，尤其是电能，其电源往往就占去了激光器的绝大部分体积和重量。一台功率10万瓦的激光器，若总体效率为千分之一，就必须有一台10万千瓦以上的发电机专门为它供电。当然，化学激光器还多少用一点外能源引发化学反应，但需要量很小，比起其他激光器的激发能源来，简直是微不足道。

化学激光工作物质多数有毒，甚至玻璃一类的物质也容易被腐蚀。又由于在化学反应中，粒子数能级分布较分散，所以激光单色性较差。化学激光工作物质气压目前仍比较低，反应能的利用率还不太高，这些都有待于改进。

波长极短的准分子激光器

“准分子”不同于一般的稳定分子，它并不是真正的分子，在自然界的正常状态中也不存在。准分子是人工制造的一种仅能在激发态以分子形式存在（激发态寿命１０＼＋秒），而在基态（基态寿命１０＼＋秒）则离解成原子的不稳定复合物，也就是说，它在激发态复合成分子，在基态又离解为原子。如惰性气体原子，最外层轨道（壳层）被电子填满，因此它的原子价为零，一般不与任何原子结合成分子。但当它们一旦受到某种外界激励处于激发态时，就可以与其他原子结合成一个不稳定分子，习惯上称作“受激准分子”。当受激准分子从激发态受激跃迁回基态时（准分子离解为原来的原子状态），通过受激辐射和谐振放大作用就会有激光输出。这种激光器就叫做“准分子激光器”。

准分子激光器是70年代以来新崛起的一种高能脉冲器件，脉冲宽为微微秒（10＼＋）秒级，脉冲峰值功率超过千兆（10＼＋９）瓦，脉冲能量大于100焦耳，脉冲重复频率每秒几百次，效率超过10%。虽然脉冲峰值功率比起化学脉冲激光器的１０＼＋＜１２＞瓦尚差三个数量级，但从发展来看前途很大。尤其是准分子激光器件的波长大多分布在紫外区，波长又可调，可望在受控核聚变、同位素分离、等离子体诊断、有机物的冷光滑机械加工、星际通信、光武器等方面一展身手。

与众不同的自由电子激光器

自由电子的受激辐射原理，虽然1951年曾有人提出，但直到1977年美国斯坦福大学用2。4千高斯的超导磁场、43兆电子伏特能量的电子束，才在波长3。4微米处，获得了0。36瓦的激光平均功率和7千瓦的峰值功率。所谓“自由电子激光器”，是指一种高功率连续可调谐的新颖激光器件，需要用加速器等复杂设备。这种激光器从理论到实验目前尚不成熟。

自由电子激光器的工作机制与众不同，它是从加速器中获得几千万电子伏特的高能调整电子束，这些调整电子经过周期性磁场，形成不同能态的能级，然后在它们之间实现粒子数反转并产生受激辐射。

自由电子不受原子核的束缚，这样，自由电子的运动就比较自由，它的能级结构与束缚电子的固定能级结构相比，自由而不受限制。因此，激光辐射波长或频率随电子能级的变化（主要由电子能量大小决定）就可以调谐。目前，调谐是通过改变电子束能量大小和磁场强弱的办法。调谐范围可以从微波到红外，甚至X射线波段。

正是由于自由电子不受原子核束缚和不受固定电子轨道的限制等，激光功率和效率可以不断提高，这种器件既能振**又能放大，脉冲或连续运转均可。另外，自由电子的能量不易“衰老”，若采用储存环结构的加速器，电子束还可以重复使用，使效率进一步提高。

激光唱机与激光唱片

激光唱机与激光唱片是当代激光应用技术最为成功的杰作。激光唱机和激光唱片简称“CD唱机”或“CD唱片”。-pactdisc—Digitalaudio的缩写，意为小型数码音频唱片。与传统唱机相比，激光唱机具有许多无法比拟的优越性：能提供优良的高保真度、高纯度音质；立体声左右声道分离度达85分贝，频率响应在5～20000周（赫兹）之间，谐波失真为0。004%，不存在抖晃率问题，唱片寿命极长，几乎永不磨损，动态范围超过90分贝，已接近大型交响乐队的动态范围。可以使记录在唱片上最细微柔弱的声音忠实，清晰地再现出来：强劲的低音使人感到裤腿摆动，听提琴声时松香味十足，**来临势如排山倒海，沉寂时连歌星启唇时的纹理也尽再现……这一切都令音乐迷们高“烧”不退，如醉如痴。

在简述激光唱机的工作原理时，不妨与传统的唱机作一比较。普通唱机的唱片表面刻有一条连续不断的音轨“纹槽”，这条连续不断的“纹槽”里记录着各种模拟音响信号。当拾音器唱针直接接触音轨纹槽时，随着纹槽的摆动幅度和深度的不断变化，拾音器即从音轨上拾取唱片的模拟信号。唱片由唱机（弹簧发条或电机）带动，按顺时针方向、等角速度旋转，唱针顺着纹槽，由唱片的外圆向内圆移动，并连续不断地读取上面的信号，这些信号经过电路处理和放大后，由扬声器放出唱片的声音。普通唱片一般由塑料制成，由于唱针与唱片是直接接触，因此唱针容易因摩擦和磨损而产生放音失真。

激光唱机工作原理与普通唱机截然不同。它灌录在唱片上的信号是数字信号，是一连续不断的“坑点”轨迹、即“0”和“1”数字符号。这些“坑点”的深度一般为0。1微米（1微米=11000毫米），轨迹之间的距离为1。6微米，每毫米有625条，一张CD唱片轨迹数约为2万条，全长可达5公里。

激光唱片上的“小坑”是下凹的。光拾音器上的扫描激光束是来自唱片下部，因此“坑点”对激光束来讲却是凸出的。当激光拾音器发出的激光束扫描聚焦于唱片镀铝的“坑点”上时，便被漫反射，这时光拾音器检出的信号为“0”；激光束照射在无“坑点”处时，光线反射回光路而被检拾出，这时信号为“1”。随着唱片的转动，长短“坑点”不断地扫过激光束，反射光的密度、强弱也将相应地变化，形成连续信号流，经光电转换、电流电压转换、放大、整形后，即获得了唱片上所记录的数字声音信号。

数字声音信号中包含调制、同步、纠错等信息，故必须经解码、数字滤波和DA（数字／模拟）变换才能获得模拟声音信号。

激光唱片实际上是光盘的一种，是信息存贮的载体或称之为“媒介”。光盘的基板采用玻璃或塑料，制作的关键是要在基板上形成一层记录薄膜，并刻上记录槽，整个盘面大部分区域是数据道，用于贮存信息或数据，在该区域内刻有一条螺距为1。65微米（头发丝直径约为70微米）宽l微米的螺旋形沟槽，沟槽由数不清的凹坑点组成的。各沟槽又被分为32个扇段，便于各种信息的贮存。而这只有头发丝的l／70那么细的沟槽是怎么做出来的呢？这当然还离不开激光这个神奇之光。具体方法是：先在基板上涂上一层极薄的保护胶层，把激光束聚焦成直径为1微米以下的细光对胶层曝光。为了保证螺旋形沟槽之间的间隔处处相等，还必须给激光配上一个自动聚焦系统和一个自动跟踪系统，因为在曝光时基板是匀速旋转的。曝光后再作显影和烘干处理，然后在基板上涂一层薄导电层和镍膜，这时在镍膜上已形成沟槽。将镍从玻璃基板上分离下来，再重新复制到具有记录膜的基板上去，便得到了一块完整的附有预刻槽的光盘。

光盘的基板不是随便拿一块玻璃或塑料就行的，它必须经过精密抛光，要求透光率在90%以上，而且刚性要好，能经得起高速旋转，对记录膜亲和性要好，热传导率低等。同时对记录膜材料的要求也高，希望它再现性好，灵敏度高，而且记录信息后保存寿命应在10年以上。光盘在加工过程中对环境要求也很苛刻，以至人眼难以分辨的尘埃，也会对它造成误差以至失真。此外，严格的测试和封盘都县必不可少的。

激光电影的奥秘

继立体电影和全景电影之后，目前电影业最热门的要算是激光电影了，由于激光电影内容新鲜刺激，票价也可令人接受，所以上映激光电影的影剧院场场爆满，人们争先恐后，都想先睹为快，看一看激光电影到底是怎么回事，它与普通电影又有什么区别。

大家知道，普通电影是由胶片（俗称“拷贝”）来存贮图像的，通过放映机在宽大的银幕上再现图像。而激光电影的图像是存贮在一张小小的光盘上，就像激光唱机的唱片一样，只是直径大了一些，约为30厘米。放映用类似激光唱机的激光影像机（俗称“影碟机”）进行图像的再现。与激光唱机相比，整个系统复杂了一些。

放映的方法有两种，一种是激光电影影剧院采用的，由影碟机配一套与投影电视相同的3只阴极射线管，分别将红、绿、蓝三基色射向荧光屏，再通过适当的光学系统投向银幕，以获得色彩逼真的画面，剧场前后4只喇叭使观众享受到高保真的音响效果；另外一种则是由影碟机直接驳接家用彩色电视机，适用于普通家庭。就像用录像机放映录像带一样，激光电影在放映过程中，可使画面停止、前进或后退，而且进退速度可以调节，不必担心像录像带那样可能会受到损害。更令人惊奇的是它还可以分别用不同语言播放，这是因为在光盘的声道上已事先刻录好了这些语言的信息，在放映时可以任意选择，这就大大方便了节目的国际交流。

不过，像许多新事物一样，激光电影也有不尽人意的地方。尽管放映激光电影的银幕采用了可增加亮度的一种特殊的“微珠银幕”（即在布上镶嵌了许多小玻璃珠子），但其亮度仍不如普通电影。另外尺寸也不够大，普通电影的银幕面积大的已达10×20（米＼＋２），而微珠银幕还只有3×4（米＼＋２）左右。所以，激光电影的放映只能在小厅进行，观看人员一般为几十人至上百人，特别适合于小型会议、电化教学以及亲友聚会等场合。大屏幕平面直角彩色电视机的出现，与激光影碟机配合起来真是珠联璧合，相得益彰，为现代化的家庭锦上添花。所以说，尽管激光电影的效果还比不上普通电影，但其优点还是主要的。

令人咋舌的激光表演

从80年代初期开始，激光娱乐显示技术获得了较快的发展和应用，已进入许多表演场合，这一飞跃的主要因素是与新显示技术的发展、计算机硬件的相互作用以及广告、演出、宣传等对其日益增长的需求分不开的。

1979年，我国国庆30周年焰火晚会上，首次采用了激光进行天幕投射，那闪烁的光束、梦幻般的图案、绚丽的色彩为节日增添了热烈的气氛，给许多人留下了难忘的印象。

美国洛杉矶激光介质公司是激光娱乐领域中最有实力的一家，它主要是为摇滚音乐会伴映。该公司每年都要举行上千次的各类露天表演的激光音乐会，可见其受欢迎的程度。在美国节日期间，公司常用两支15W的氩、氪激光器，把动画片从舞台射到两个大型显示屏幕上，这种激光器配有专用电子计算机来安排画面和适当调节各波长的功率比例，计算机内的程序可在存贮器中贮存约1000帧画面。该公司已研制三种系列装备计算机的激光绘图系统样机，以及有价值的表演产品。最小系统的售价仅1000美元左右。利用该产品提供的数字软件和硬件，用户能设计和控制自己的图像。该公司最令人惊奇的表演是在佐治亚州石头山公园。在那里，他们把动画片投射到1000英尺高的一堵巨大的石壁上。由计算机控制的10多种颜色的激光束，从十几个不同的地点射向石壁，并以极快的速度变换画面，同时配以激昂的音乐，使人怦然心动，取得了神奇的效果。

1988年9月夏季奥运会期间，韩国汉城上空间多束激光装点，接连表演7个晚上。表演的是激光动画、图片、特技等。这次表演由美国麻省图像工程公司及韩国时空公司联合举办，为这届百年不遇的盛会披上了艳丽的盛装。