1.1 激光与激光技术

1.1.1 激光

激光是一种自然界原本不存在，因人工处理，受激而发出的光。激光被誉为“神奇的光”，是因为它有普通光所完全不具备的四大特性。

1.方向性好

普通光源（如太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几毫弧度的立体角内，激光束的发散角很小，几乎是一束平行的光线。激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1km左右，即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1000km以上。激光准直、导向和测距就是利用了方向性好这一特性。

2.亮度高

激光是当代最亮的光源，只有氢弹在爆炸瞬间发出的强烈闪光才能与它相比拟。一台大功率激光器的输出光亮度比太阳光高出7～14个数量级。因此，尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小目标处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度的高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。

3.单色性好

光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发射的光子通常包含各种波长，在频率上是各不相同的，是各种颜色光的混合。太阳光中就包含了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色的可见光及红外线、紫外线等不可见光。激光的波长只集中在十分狭窄的光谱波段或频率范围内，如氦氖激光的波长为632.8nm，其中波长变化范围不到万分之一纳米（nm）。由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。

4.相干性好

干涉是波动现象的一种属性。由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间具有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光），物理学家通常用相干长度来表示光的相干性，光源的相干长度越长，光的相干性越好。激光的相干长度可达几十千米（km）。因此，如果将激光用于精密测量，它的最大可测长度要比普通单色光大10万倍以上。激光的这一特性使全息照相成为现实。

自1960年7月梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器以来，经过多年的发展，人们在激光研究上突破了许多技术难题并取得了很大成就，因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家共有10位。自激光被发明以来，以其方向性强、单色性好、高亮度和高度的时空相干性引起了科学家们特别是军事家们的广泛关注，经过科学家们的不懈努力，今天的激光仪器无论是在工作原理、实验手段还是制造工艺方面都已逐步成熟。激光技术日益受到人们的重视，尤其是各大军事强国的重视，许多激光技术率先在军事技术中发展成熟起来，随后由于其巨大的价值推广到民用，成为目前最活跃的科学研究领域之一。

1.1.2 激光技术

激光作为一种新类型的光，带来了光学应用技术的革命，在生产、生活、国防等各个方面都有应用，已成为几乎所有现代技术依赖的手段。所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索运用激光的这些特性为人类造福的技术。

1.激光在自然科学研究上的应用

（1）非线性光学效应

在熟悉的反射、折射、吸收等光学现象中，反射光、折射光的强度与入射光的强度成正比，这类现象称为线性光学现象。如果强度除了与入射光强度成正比外，还与入射光强度成二次方、三次方乃至更高的方次，这就属于非线性光学效应。这些效应只有在入射光强度足够大时才表现出来。高功率激光器问世后，人们在激光与物质相互作用过程中观察到非线性光学现象，如频率变换、拉曼频移、自聚焦、布里渊散射等。

（2）用激光固定原子

气态原子、分子处在永不停息的运动中（速度接近340m/s），并且不断与其他原子、分子碰撞，要“捕获”操纵它们十分不易。1997年，华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却到极低温度，使其速度比通常做热运动时低，达到“捕获”操纵的目的。此项技术在光谱学、原子钟、研究量子效应方面有着广阔的应用前景。

2.激光在加工领域的应用

以激光良好的单色性和相干性为基础，激光全息技术可以用做无损探伤，即不用损坏零件便可检测出零件内部的缺陷。利用激光亮度高和方向性好的特点可以进行精密的机械加工，如可以在零件上打一般钻头不能打的异形孔和尺寸达微米级的小孔。利用激光进行切割具有速度快、切面光洁及不发生形变的特点，激光焊接可焊一般焊接法不能焊的难熔金属。还可以利用激光亮度高、能量集中、可通过理论计算进行控制的特点对金属工件表面进行改性处理。

3.激光信息处理

引入激光全息技术后，能大幅度提高信息处理能力。普通照相只记录了物体表面的光强分布，没有记录从物体各部分到观察者的远近和角度，即没记录下物体发出光线的相位分布，这样的像没有立体感。全息照相是用相干光照射物体，从物体反射或漫射的光不是经透镜成像而是直接照射到全息底片上，用干涉图样把那些光的光强分布和相位记录下来。底片上并没有被拍物体的形象，在显微镜下看到的是一幅长短不一、间距不等、走向不同的复杂干涉条纹，称为全息图。要想看到物体形象，再用相干光按一定方式照射全息图，便可在一定方向看到物体的像，称为再现。因为再现的是从物体反射或漫射的光束本身，所以像是立体的。

因为激光的相干性很好，用聚光系统可以把激光聚焦成比针头还细小的光束，所以它在介质上写入信息所占空间尺寸可以非常小（小于1nm），因而信息存储密度很大。

4.激光通信

激光通信也是利用激光束单色性好、方向性好的特点。

激光提供了单色性很好的光波，使光波通信进入实用化阶段，光波通信的容量比微波通信提高了1万～10万倍。现在发展的光计算机是用光波束代替电流构造计算机，会获得更高的运算速率和容量。在显示技术上，激光液晶大屏幕将代替阴极射线管，有可能成为21世纪电视的主角。

5.激光在医学领域的应用

利用高亮度激光束产生的热效应以及单色性好的激光束产生的生物效应可以治疗疾病，现在激光技术已成为医学中的新技术，开始形成一个新的医学分支——激光医学。主要应用有：激光刀技术；用激光在生物体内产生冲击波可粉碎肾结石、输尿管结石等；弱激光（功率为1W）对生物组织有刺激、镇痛、消炎、扩张血管等作用，用弱激光照射病灶有治疗效果；可以利用相应的激光仪器，研究细胞、亚细胞和大分子的结构以及一些特殊细胞的生物学过程，研究生物的遗传规律；可以应用激光的光谱技术、干涉技术等，通过对血液、尿液和人体其他组织成分的测定，无损伤地鉴别待测组织是否发生病变。

6.激光在军事领域的应用

自20世纪60年代初激光问世以来，它作为武器的可能性就引起了世界各国的关注。激光技术已渗透到各种武器平台，成为高技术局部战争的重要支柱和显著特征。激光制导和激光测距极大地提高了炮弹、炸弹和战术导弹的首发命中率和命中精度；激光引信提高了弹头的破坏力和抗干扰性；光纤通信和激光大气通信是军事指挥控制通信网的重要组成部分；激光武器被认为是反导弹、反卫星的最佳选择之一。在1975年11月，美国的两颗监视导弹发射井的侦察卫星在飞抵西伯利亚上空时，被前苏联的“反卫星”陆基激光武器击中，并变成“瞎子”。不少国家开展了高能激光武器的研究，激光武器按用途可分为三类：战略激光武器、战术激光武器和激光致盲武器。许多激光技术的重要应用，是首先在军事上实现随后转入民用的。

1.1.3 激光在测绘领域的应用

激光测距仪是利用 激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。

世界上第一台激光器研制成功后，美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。1961年，第一台军用激光测距仪就通过了美国军方论证试验，此后激光测距仪很快就进入了实用。我国于1965年12月研制成功激光漫反射测距仪，1975年3月，我国第一台相位式精密激光测距仪在国家地震局武汉地震大队地震仪器厂研制成功。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单、速度快且准确，其误差仅为其他光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量、战场测量、坦克、飞机、舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。

基础测绘的主要方法之一，就是通过测边和测角来获取未知点的坐标，因此距离测量是其基础的技术。由于简单快捷和高精度的特点，使激光测距仪具有其他测距仪所无法比拟的优势。激光测距仪为实施毫米级精度的快速、非接触式距离测量带来了全新的革命。加上电路部分随着微电子技术的发展，趋向于集成化、数字化，使得系统在可靠性方面大为提高。与光电测距仪相比，不仅可以昼夜作业，而且能提高测距精度，显著减少质量和功耗，使测量到人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。正因为如此，激光测距仪一经问世，便得以迅猛发展，为测绘领域所重视。经过不断的研究与拓展，激光测距技术在测绘中发展出从卫星测距的长距离到室内两侧的近距离等不同种类和用途的技术和设备。

测绘中常用的激光测距仪器有：集成在全站仪上的激光测距设备，可以精确测量测站点与目标点间的距离，可以有反射镜或无反射镜；手持式的激光测距设备，能够测量较近距离的间距，可以用在室内（墙壁长度、高度等）或室外的近距离测量（房檐改正的测量）；地面三维激光扫描仪，架设在地面，对一定范围的场景进行扫描，得到三维激光点云；机载激光雷达设备，安装在遥感平台上，从上方对地表进行扫描，得到大范围的三维点云数据，如图1.1所示。