背景：激光唱片，激光打印机，激光手术治疗，激光通信……这只是生活中比较常见的激光应用的一小部分，所以不要说激光及激光技术离我们很远，自从1960年第一台激光器诞生以来，它已经渗入到我们的日常生活中。更重要的是，在工业、农业、信息产业、军事等各个重要领域激光都在创造着奇迹，新成果层出不穷。作为一种技术手段，其应用如此之广、对科技促进如此之大，不亚于电子计算机，所以有人说，激光是继原子能、半导体、电子计算机之后20世纪的第四大发明——不使用激光技术的现代技术几乎是不存在的，21世纪更是激光的世纪。  

    激光为什么会有如此神奇的力量，它是如何产生的？对我们装备制造业起到什么作用？作为现代人，我们应该有所了解。  
    激光的特点：高亮度、单色性强、方向性和相干性好  
                       
    记者：辽宁是我国重要的装备制造业基地，所以今天请您谈谈最先进的制造技术——激光制造技术。我们都知道，激光是光的一种，但又不是普通的光，很神奇，那么，它是一种怎样的光？有什么特点？  

    左铁钏：激光作为一种光，它的高亮度、单色性、方向性和相干性在所有的光源中是最好的。有光就有“亮”，太阳看上去很亮、很刺眼，但激光的亮度是太阳光亮度的几百到几亿倍；光也是一种电磁波，我们感觉到物体有不同的颜色，就是由于不同波长的光作用在人眼视网膜上引起不同反应的结果，波长在0.4～0.76微米范围内的光，通常为可见光。牛顿曾用三棱镜把太阳光分解成了红橙黄绿青蓝紫七色彩带，每一种颜色的光称为单色光。单色性是衡量一种光源质量的重要标准之一，它的实质是波长在某个光谱宽度范围内的宽度，这个宽度越窄，颜色看起来就越纯，越艳。而氦氖激光的光谱宽度达到了一亿分之一纳米，单色性极好。大家都见过探照灯，似一道光柱射向夜空，但是它照射的距离不过几公里，光束散开的直径有几十米。与之对照，一支氦氖激光器发出的红光，能直线射到20公里远的地方，它的光斑直径只有茶杯口大，这就是激光的特性之三——高方向性。干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。相干性好使全息照相成为现实。 
                       
    综合地说，激光最为基本的特性就是其光辐射能量在量子状态（模式）上高度集中，这一特性反应在空间领域，显示出良好的方向性和空间相干性；反应在频域，显示出优良的单色性和时间相干性；反应在时域，显示出超短特性；反应在能量可集中性上，显示出极高的单色亮度。 
                       
    记者：我们雨天看到的闪电算激光吗？是否可以这样说，自然界原本没有激光，激光的产生是科技发展的结果？激光是如何得到的、它产生的原理是什么？ 
    左铁钏：闪电不算激光，因为它是由放电引起的，并非受激辐射产生，而且也不具备良好的单色性和相干性。  
                       
    激光的产生与物体原子的能级结构直接相关。处于高能级的原子自发的向低能级跃迁，并发射一定能量的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁产生的光波称为自发辐射。通常见到的白炽灯、日光灯及高压灯等都是这样产生的光。  

    激光则不同。处于高能级的原子，在外界光信号的作用下，以一定的概率跃迁到低能级上，同时向外发出一个光子的过程称为受激辐射跃迁，受激辐射发出的光波即为激光。受激辐射与外界作用光具有相同的传播方向、相同的频率和相同的偏振。这里还有一个问题。物质处于热平衡状态时，高能级原子数恒小于低能级原子数，所以要想高能级原子数多于低能级原子，必须想办法人为地使物质处于非热平衡状态，发生粒子数反转，才有可能产生激光。这个过程就是激励（或称泵浦），所以说，激励过程是光放大的必要条件。  

    通过受激辐射，使发射出来的光能量在时间上和空间上高度集中，得到激光。 
    记者：那么用什么方法实现这个激励过程呢？ 
                       
    左铁钏：从激光器里得到激光。首先，用的是“泵”的原理，我们称为激励，也称“泵浦”，而在“外界能量”的作用下原子状态发生变化的物质称为工作物质，能量使工作物质产生类似“水箱”的状态——让从低能态跃迁到高能态的原子在那里亚稳态，不断汇集、增多，超过在它下面的能态的粒子数目。这个过程简单地说就是所谓的粒子数反转——低能级上的原子被激发到高能级上。而这个“外界能量”可以用多种方法得到，如气体放电、大电流注入、化学反应、热膨胀甚至核爆炸等等。 
                       
    同时，为了使受激辐射的有利因素不断增加，在激活物质的两端恰当的放置两个反射镜片，就构成一个最简单的光学谐振腔。它使光子在传播方向上始终与腔的轴平行。光子每通过工作物质一次，就会引起部分粒子发生一次受激跳跃，而它们发出的光子又成为下一次受激辐射的诱导者。这样受激辐射的光子数目一次比一次多，这个过程就是光放大；在共振腔内得到光放大的全体光子在频率上几乎相同，使激光方向性和单色性大大加强。当然激光器产生激光还有许多细节条件，而泵源、工作物质和谐振腔是产生激光和组成激光器的三个基本条件和组成部分。  

    记者：从不同种激光器内发出的激光是否一样？不同种激光器及其发射的激光的特点是什么？ 
                       
    左铁钏：凡是激光都具有共同的特点，那就是高亮度、单色性强、方向性和相干性好，但从不同激光器内发出的激光在物理性能上是不一样的。波长，光束质量，光斑大小，能量等等都是表现激光性能的参数。这也正是我们发展和应用激光技术的动力所在。从1960年第一台激光器诞生以来，世界上已有千百种激光器，其分类也是多种多样的，可以按工作物质、按激励方式、按输出频率等分类，但最常见的是以工作物质分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、自由电子激光器、半导体激光器和光纤激光器等等。随着科学技术的发展，各种不同类型的新型激光器不断涌现，激光的功率、可靠程度不断提高、体积日益缩小。追求高光束质量的大功率激光输出是现代激光制造用激光器不断发展的目标。而半导体激光器和光纤激光器则是目前激光制造系统发展的热点。 
    记者：请您以几种常见的激光器为例，具体给我们讲一下它们各自有什么特点？  
                       
    左铁钏：CO2激光器经过近四十年的发展，激光输出功率不断提高，光束质量越来越好，高功率扩散型SlabCO2激光器K值已经达到0.99，十分接近1的理论值；同时对光的控制能力不断提高。  

    固体激光器与CO2 
                       
    激光器相比较，具有波长短，吸收率高，体积小，能采用光纤传输实现柔性加工等优点，是现代激光制造的重要激光制造系统之一。而如何提高光束质量和激光功率，是工业用YAG激光器发展的主要方向之一。目前出现了几种提高光束质量的固体激光器已经得到应用，如半导体泵浦的固体激光器、二极管泵浦的薄片式固体激光器、光纤激光器。  

    另外，引人注目的是直接用于材料加工的大功率半导体激光器的发展。与CO2和固体激光器相比，半导体激光器的意义在于它的更短的波长、器件体积十分小，高效率、与光纤的良好耦合、易于调制等优良特性，目前限制其的应用的不足是其光束质量还较差。  

    以激光作为“光能源”和“光工具”的新兴制造技术极大地提升了制造业的技术水平，带来了产品设计、制造工艺和生产观念的巨大变革  
    记者：激光被称为20世纪的四大发明之一，作为一种技术手段和工具被应用于许多学科领域，请您给我们介绍一下激光的用途？  
                       
    左铁钏：可以说，激光作为强有力的技术手段，在各个领域都有应用，尤其在物理学、化学、加工制造、医学、军事、生物学、地球物理、天文空间科学等学科和领域的广泛应用使这些学科如虎添翼，更迅猛地向前发展。这里主要谈谈激光在工业制造领域的应用。  

    众所周知，人类文明进步的历史，都是与制造技术的发展与进步紧密联系在一起的。激光制造是继力加工、火焰加工和电加工之后一种崭新的加工技术。它可以完善周到的解决不同材料的加工、成型和精炼等技术问题。从最小结构的计算机芯片到超大型飞机和舰船，激光制造都将是不可或缺的重要手段。自上世纪70年代大功率激光器件及配套制造系统的出现标志现代激光制造诞生以来，已形成了激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面处理、激光合金化、激光熔覆、激光快速原型制造、金属零件激光直接成型、激光刻槽、激光标记、激光掺杂等十几种应用工艺；与传统的加工方法相比，具有能量最大限度地集中、易于操作、高的柔性、高效率、高质量、节能环保等突出优点，迅速在汽车、电子、航空航天、机械、冶金、铁路、船舶等工业部门广泛应用，几乎包括了国民经济的所有领域，被誉为“制造系统共同的加工手段”。  

    记者：您是我国激光制造领域的著名专家，可以说，加工制造业是激光应用最基本、最深入的领域，而制造业水平的高低在一定程度标志着一个国家工业实力，那么激光应用对制造技术影响到底有多大？  

    左铁钏：世界制造业对光制造技术有迫切的市场需求，全球工业激光器的年销售额已达数十亿美元。我国是一个制造大国，但是我国总体技术水平落后，可以说只是一个组装业，核心技术几乎全部掌握在别人手中。现代激光制造的研究、开发、应用及产业化对国民经济的发展具有现实的重要意义。我们要成为世界制造大国，不能仅依赖人力资源优势，先进的制造技术才是我国能否成为世界制造业中心和制造强国的关键。发达国家的实践已经证明，激光制造技术在改造和提升传统产业和发展高新技术产业上都起着前沿开拓者的作用。现代激光制造技术在21世纪经济可持续发展中占有重要的地位，将给我国国民经济的发展以深刻的影响。 
    记者：请您举一个例子给我们具体、形象地介绍一下激光制造应用和产生的巨大作用。  
                       
    左铁钏：大家对汽车可能都十分感兴趣，那就以汽车工业为例吧。目前，从样车的开发、零部件的制造到车身总装的汽车生产，激光无所不在。在样车的开发和小批量试生产时，高度柔性的激光三维切割取代冲孔和修边模具，不仅节省模具，同时新车型的开发周期从传统方法研制开发一代新车5～7年的时间缩短为7个月。由于激光良好的可达性，使得汽车设计师可以自由地发挥其想象力和创造性，设计出独特风格的车型。由于优势显著，德国大众汽车公司早在1986年就采用了激光柔性机器手切割系统。在汽车零部件制造方面，激光焊接的变速器齿轮替代了花键联接的齿轮，极大地减少了零部件的数量，提高了变速器的整体质量与性能，降低了变速器齿轮的制造成本；利用激光焊接将不同材质、厚度和表面状态的坯板拼焊在一起，然后一次压制成型制造车身部件，极大地简化了生产工艺流程，节省了材料，显著降低了车身重量，汽车工业发达的欧、美等地区和国家纷纷建立了激光拼焊板的专业公司。 
                       
    在车身总装上，激光焊接取代了电阻点焊工艺显示出有更高的效率、更优异的性能等。汽车工业在应用激光制造组装生产线后，可达到每57秒组装一辆汽车，一天组装1440辆的高速度，并且质量过硬。由于激光制造技术所具有的无与伦比的优势，在欧洲，几乎所有汽车制造厂在汽车研制开发和生产中无一例外的大量采用激光加工。德国大众公司2002年一次性就订购了260台4千瓦大功率YAG激光器，主要用于车身的总装。德国博世（Bosch）公司的生产线上总共安装了不同类别的大功率激光加工设备400余台套，主要用于汽车零部件的加工。实际上，激光制造技术在汽车制造中应用的广度和深度已经成为汽车工业先进性的重要标志。  

    记者：我国激光制造技术水平如何？  
                       
    左铁钏：和发达国家相比，我国激光制造技术应用的水平和规模虽然还存在很大差距，但发展也很快，市场潜力巨大。中小功率激光打标应用和市场开发遍布全国，轧辊热处理修复的应用已产业化，中小功率焊接已在企业应用，形成了一批激光加工站，一些大型企业也建立了激光加工工位。  

    在采用先进的光制造技术改造和提升我国制造业的技术水平方面，科研人员做了大量的工作。例如，在长春一汽轿车股份公司，建立了新一代大“红旗”轿车覆盖件的激光三维制造生产线，车身全部覆盖件仅用了11套成型模具，所有覆盖件的切孔和修边均由激光切割来完成，节省模具几百套，节省投资七千多万元，并且大大缩短了新车型的开发周期。在宝钢和武汉也建立激光车用集成拼焊板生产线。 
    记者：激光制造技术发展方向和前沿领域是什么？ 
                       
    左铁钏：现代激光制造作为通用的加工手段，其前沿领域之一是应用领域的扩展，如扩大被加工材料的范围；提高被加工材料的吸收率；实现运输机械轻型化；简化并取代复杂的传统工艺过程；激光热、冷加工集成化；生长与去除工艺集成化等。同时对激光制造系统本身提出新的要求，如激光器小型化、高转换效率与集成化等，光纤激光器和半导体激光器将得到大力发展。另一前沿领域是与现代科技发展微型化趋势相一致的激光微制造，即超短、超快激光源的研究受到高度重视。20世纪人类把电子技术的主要功能高度集成在一起，形成了微电子学高技术产业。21世纪的技术产业，将是多门学科的集成，即把微电子、微光学、微机械以及传感器、执行器的信号处理单元集成在一起的微纳制造和微系统技术。 
                       
    我们知道，已经成熟的微电子集成工艺虽能进行大规模的加工制造，但它仅适合于硅材料、局限于平面结构和运动的加工。而超短波长、超短脉冲激光是实现三维微纳制造的有效途径。21世纪是信息量高度膨胀的时代，下一代光信息记录追求的是高集成度、高存储量，所要达到的盘片刻蚀线宽、深将是0.13mm、0.08mm以及100纳米以下的计算机芯片，这对激光微刻和光印刷技术是个挑战；保健与医疗是人类生存的直接利好，通过注射进入人体内脏和血管的医疗微纳系统，在体外传感的操纵下，执行体内现状侦探“破案”和全面“大扫除”以及微型外科手术台等已成为本世纪追求的重要目标。