光的原理早在1916年已被著名的美國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，但直到1960年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，它一問(wèn)世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個(gè)一門(mén)新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所未有的先進(jìn)方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。

　　然而，像激光激光切割，激光焊接已經(jīng)普遍運(yùn)用的生活生產(chǎn)之中，而還有激光晶體，太赫茲之類(lèi)的激光知識(shí)，我們卻很少接觸，本文筆者帶領(lǐng)大家一起了解一下那些我們不熟悉的激光技術(shù)。

　　激光晶體

　　激光晶體可將外界提供的能量通過(guò)光學(xué)諧振腔轉(zhuǎn)化為在空間和時(shí)間上相干的具有高度平行性和單色性激光的晶體材料。是晶體激光器的工作物質(zhì)。激光晶體由發(fā)光中心和基質(zhì)晶體兩部分組成。大部分激光晶體的發(fā)光中心由激活離子構(gòu)成，激活離子部分取代基質(zhì)晶體中的陽(yáng)離子形成摻雜型激光晶體。激活離子成為基質(zhì)晶體組分的一部分時(shí)，則構(gòu)成自激活激光晶體。

　　激光晶體所用的激活離子主要為過(guò)渡族金屬離子和三價(jià)稀土離子。過(guò)渡族金屬離子的光學(xué)電子是處于外層的3d電子，在晶體中這種光學(xué)電子易受到周?chē)?chǎng)的直接作用，所以在不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的晶體中，其光譜特性有很大差異。三價(jià)稀土離子的4f電子受到5s和5p外層電子的屏蔽作用，使晶場(chǎng)對(duì)其作用減弱，但晶場(chǎng)的微擾作用使本來(lái)禁戒的4f電子躍遷成為可能，產(chǎn)生窄帶的吸收和熒光譜線(xiàn)。所以三價(jià)稀土離子在不同晶體中的光譜不像過(guò)渡族金屬離子變化那么大。

　　激光晶體所用的基質(zhì)晶體主要有氧化物和氟化物。作為基質(zhì)晶體除要求其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，易生長(zhǎng)出光學(xué)均勻性好的大尺寸晶體，且價(jià)格便宜，但要考慮它與激活離子間的適應(yīng)性，如基質(zhì)陽(yáng)離子與激活離子的半徑、電負(fù)性和價(jià)態(tài)應(yīng)盡可能接近。此外，還要考慮基質(zhì)晶場(chǎng)對(duì)激活離子光譜的影響。對(duì)于某些具有特殊功能的基質(zhì)晶體，摻入激活離子后能直接產(chǎn)生具有某種特性的激光，如在某些非線(xiàn)性晶體中，激活離子產(chǎn)生激光后通過(guò)基質(zhì)晶體能直接轉(zhuǎn)換成諧波輸出。

　　使用較多的是：Nd:YAG,Nd:YVO4

　　太赫茲

　　THz波（太赫茲波）或稱(chēng)為T(mén)Hz射線(xiàn)（太赫茲射線(xiàn)）是從上個(gè)世紀(jì)80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科學(xué)家們將統(tǒng)稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外射線(xiàn)。太赫茲波是指頻率在0.3THz到3THz范圍的電磁波，波長(zhǎng)大概在0.1mm(100um)到1mm范圍，介于微波與紅外之間。實(shí)際上，早在一百年前，就有科學(xué)工作者涉及過(guò)這一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到這一波段，紅外光譜到達(dá)9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到達(dá)50um的記載。之后的近百年時(shí)間，遠(yuǎn)紅外技術(shù)取得了許多成果，并且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。但是涉及太赫茲波段的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)非常少，主要是受到有效太赫茲產(chǎn)生源和靈敏探測(cè)器的限制，因此這一波段也被稱(chēng)為T(mén)Hz間隙。隨著80年代一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展，特別是超快技術(shù)的發(fā)展，使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖THz源成為一種準(zhǔn)常規(guī)技術(shù)，THz技術(shù)得以迅速發(fā)展，并在實(shí)際范圍內(nèi)掀起一股THz研究熱潮。

　　太赫茲的獨(dú)特性能給通信（寬帶通信）、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像（無(wú)標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像）、無(wú)損檢測(cè)、安全檢查（生化物的檢查）等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由于它的脈沖很短（皮秒量級(jí)）所以具有很高的時(shí)間分辨率。太赫茲成像技術(shù)和太赫茲波譜技術(shù)由此構(gòu)成了太赫茲應(yīng)用的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，由于太赫茲能量很小，不會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線(xiàn)相比更具有優(yōu)勢(shì)。另外，由于生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種，優(yōu)良菌種的選擇等農(nóng)業(yè)和食品加工行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景。太赫茲的應(yīng)用仍然在不斷的開(kāi)發(fā)研究當(dāng)中，其廣袤的科學(xué)前景為世界所公認(rèn)。

　　THz時(shí)域光譜技術(shù)：目前已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化運(yùn)作，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)商用THz時(shí)域光譜儀，主要是美國(guó)，歐洲和日本的廠家。THz時(shí)域光譜技術(shù)的基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生并探測(cè)時(shí)間分辨的THz電場(chǎng)，通過(guò)傅立葉變換獲得被測(cè)物品的光譜信息，由于大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)大多在THz波段，而大分子，特別是生物和化學(xué)大分子是具有本身物性的物質(zhì)集團(tuán)，進(jìn)而可以通過(guò)特征頻率對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進(jìn)行分析和鑒定。一個(gè)比較重要的應(yīng)用可以作為藥品質(zhì)量監(jiān)管。設(shè)想一下制藥廠的流水線(xiàn)上安裝一臺(tái)THz時(shí)域光譜儀，從藥廠出廠的每一片藥都進(jìn)行光譜測(cè)量，并與標(biāo)準(zhǔn)的藥物進(jìn)行光譜對(duì)比，合格的將進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，否則在流水線(xiàn)上將劣質(zhì)藥片清除掉，避免不同藥片或不同批次藥片的品質(zhì)差異，保證藥品的品質(zhì)。

　　THz成像技術(shù)：跟其他波段的成像技術(shù)一樣，THz成像技術(shù)也是利用THz射線(xiàn)照射被測(cè)物，通過(guò)物品的透射或反射獲得樣品的信息，進(jìn)而成像。THz成像技術(shù)可以分為脈沖和連續(xù)兩種方式。前者具有THz時(shí)域光譜技術(shù)的特點(diǎn)。同時(shí)它可以對(duì)物質(zhì)集團(tuán)進(jìn)行功能成像，獲得物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的內(nèi)部信息。圖3-4給出了葵花籽樣品的實(shí)物照片和相應(yīng)方法重構(gòu)的THz透射圖像，能清晰地分辨果殼的輪廓和隱藏在果殼中果仁的形狀，這是最希望的。同樣，如果樣品是人的牙齒，那么牙齒的正常部分與損蛀部分將很容易的區(qū)分開(kāi)，同時(shí)不必照射x射線(xiàn)，對(duì)人體沒(méi)有附加傷害。

　　安全檢查：利用安全檢查應(yīng)該說(shuō)是現(xiàn)階段最吸引人的THz技術(shù)，它的本質(zhì)原理是THz成像，目前由于目前主要采用連續(xù)波THz源，而且又由于它要解決的是目前最受人關(guān)注的反恐、緝毒等最讓人關(guān)注的問(wèn)題，所以單列出來(lái)。目前英國(guó)發(fā)展的THz安檢設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入試用階段。由于THz射線(xiàn)的穿透性和對(duì)金屬材料的強(qiáng)反射特性，并且THz的高頻率使得成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隱藏在衣物、鞋內(nèi)的刀具、槍械等物品。同時(shí)如果結(jié)合THz的物質(zhì)鑒別特性，能夠區(qū)分你身上是否攜帶炸藥或毒品。首都師范大學(xué)THz實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了常見(jiàn)的炸藥和毒品的數(shù)據(jù)譜庫(kù)，可以設(shè)想再過(guò)幾年，可以真正在機(jī)場(chǎng)見(jiàn)到真正的THz安檢的設(shè)備。另外，世界范圍內(nèi)引起社會(huì)動(dòng)蕩的自殺式炸彈恐怖襲擊，也可以利用THz安檢設(shè)備進(jìn)行防范。因?yàn)檎緧彽目梢圆辉偈鞘勘虮０踩藛T，而是THz安檢儀，人們不需要靠近可疑分子就可以對(duì)其進(jìn)行檢查。

　　THz雷達(dá)：實(shí)際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對(duì)THz射線(xiàn)的強(qiáng)吸收作用，所以近距離雷達(dá)是THz射線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)所在。一個(gè)非常讓人向往的應(yīng)用是穿墻雷達(dá)和探雷雷達(dá)，當(dāng)然也可以用于抗震救災(zāi)中遇難者的搜救，目前還處于研發(fā)階段。這是由于墻壁，木材等材料對(duì)THz透過(guò)，而人體包含大量水分，不透過(guò)THz，因此可以透過(guò)墻壁偵查到屋內(nèi)的人員的分布和活動(dòng)，將反恐怖反綁架起到深遠(yuǎn)的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。而探雷雷達(dá)是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透過(guò)THz射線(xiàn)，而地雷將會(huì)把THz射線(xiàn)反射回來(lái)，從而可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

　　天文學(xué):在宇宙中，大量的物質(zhì)在發(fā)出THz電磁波。炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz頻段進(jìn)行探測(cè)。而這些物質(zhì)在應(yīng)用THz技術(shù)以前一部分根本無(wú)法探測(cè)而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探測(cè)到。

　　通信技術(shù):THz用于通信可以獲得10GB/s的無(wú)線(xiàn)傳輸速度，特別是衛(wèi)星通信，由于在外太空，近似真空的狀態(tài)下，不用考慮水分的影響，這比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)快幾百至一千多倍。這就使得THz通信可以以極高的帶寬進(jìn)行高保密衛(wèi)星通信。雖然由于缺乏高效的THz發(fā)射天線(xiàn)和源，使其還無(wú)法在通信領(lǐng)域商業(yè)化，但這必將由新型的發(fā)射裝置和發(fā)射源所解決。