激光及其應用激光及其應用1激光激光(laser)是受激輻射光放大(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)的縮寫。愛因斯坦在1917年研究黑體輻射時，曾預言受激輻射的存在，直到1960年，梅曼制成世界上第一臺激光器——紅寶石激光器。證明了愛因斯坦預言的正確性。

LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation即Laser，按照其意義來說應當為：“受激輻射的光放大”。形象的音譯為“鐳射”，在1964年，根據錢學森的建議，將其改稱為“激光”。這也就是我們目前最常見的稱呼了。激光激光(laser)是受激輻射光放大(LightA2激光的發展過程

遠在1893年，在波爾多一所中學任教的物理教師布盧什就已經指出，兩面靠近和平行鏡子之間反射的黃鈉光線隨著兩面鏡子之間距離的變化而變化。他雖然不能解釋這一點，但為未來發明激光發現了一個極為重要的現象。1917年,愛因斯坦:可通過受激輻射方式發光.激光是在1960年正式問世的。但是，激光的歷史卻已有100多年。激光的發展過程遠在1893年，在波爾多一所中學任教的物理31958年

美國貝爾實驗室的科學家肖洛和湯斯發現了一種奇怪的現象：當他們將閃光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。由此他們提出了“激光原理”，受激輻射可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源。湯斯和肖洛發表了關于激光器的經典論文，奠定了激光發展的基礎。

1958年41960年

1960年，美國人梅曼(T.H.Maiman)發明了世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發光材料，用發光度很高的脈沖氙燈做激發光源，獲得了人類有史以來的第一束激光。在此以后,在激光器品種方面,幾乎每年都有新的、關鍵性的重大突破.1960年1960年，美國人梅曼(T.H.Ma51961年在美國貝爾實驗室，伊朗物理學家賈萬研制出了世界上的第一臺氦氖激光器。另外，61年8月，中國科學院長春光學精密機械研究所由王之江教授負責研制成功了我國第一臺紅寶石激光器，比世界上第一臺只晚了18個月。“中國激光之父”。1961年在美國貝爾實驗室，伊朗物理學家賈萬研制出了世界上的61962年：研制成功第一臺半導體激光器。1963年：第一臺液體激光器1964年：鎖模激光器1965年：激光參量振蕩器研制成功1966年：制成染料激光器1967年：超短脈沖激光器到目前為止，激光器的品種已達數千種之多.1962年：研制成功第一臺半導體激光器。到目前為止，激光7激光技術總結課件8激光技術總結課件9激光技術總結課件10激光技術總結課件11激光技術總結課件12激光技術總結課件13一、激光的基本原理

1．粒子的能級

組成物質的原子、分子等粒子總是處于一定的能態或能級，能量最低的能態稱為基態，其它能量較高的狀態稱為激發態。基態是最穩定的狀態，通常多數粒子處在基態上，當一粒子獲得一定的能量躍遷到某一激發態時，它在激發態上停留的時間一般很短，其平均壽命大約在10-9~10-7秒。一、激光的基本原理1．粒子的能級組成物質的原子、分子等142．輻射躍遷的三種基本過程光與物質的相互作用有三種基本過程，這就是光的吸收、自發輻射和受激輻射。

1)吸收：假設E1、E2為某個粒子的兩個能級，如圖所示。一個處在較低能級E1上的粒子，吸收一個能量hn=E2-E1的光子，躍遷到較高的能級E2上，這一過程稱為光的吸收。

2．輻射躍遷的三種基本過程光與物質的相互作用有三種基本過程15受激吸收E1E2hv=E2-E1受激吸收E1E2hv=E2-E1162)自發輻射：處在高能級上的粒子可以自發地輻射光子而躍遷到較低的能級，這種過程稱為自發輻射。如圖所示，自發輻射光子的能量hn=E2-E1。

自發輻射發出的光子的傳播方向、振動方向、初相位彼此無關。特點2)自發輻射：處在高能級上的粒子可以自發地輻射光子而躍遷到較173)受激輻射：處在高能級E2上的粒子，在一個外來的能量為hn=E2-E1的光子的誘發下，躍遷到能量較低的能級E1，同時釋放出一個與誘發光子完全相同的光子的過程稱為受激輻射。受激輻射發出的光子的頻率、傳播方向、振動方向、初相位與誘發光子相同。特點3)受激輻射：處在高能級E2上的粒子，在一個外來的能量為h18

受激輻射發出的光子是同方向、同頻率、同相位、同偏振的。即受激輻射的結果是入射一個光子，而出射的卻是完全相同的兩個光子，即光被放大了。這兩個光子又會引起其它原子產生受激輻射。于是在極短的時間內激發出無數個同樣的光子。這便是激光。受激輻射發出的光子是同方向、同頻率、同相位、同偏振的。即受19光學諧振腔在工作物質兩端安裝一對嚴格平行的反射鏡可以“光放大”。光學諧振腔在工作物質兩端安裝一對嚴格平行的反射鏡可以“光放大20二.激光器

1.激光器的結構

①實現粒子數反轉——工作物質②使原子被激發——激勵裝置③實現光放大——光學諧振腔二.激光器1.激光器的結構①實現粒子數反轉——工作物質212.激光器的分類按產生激光的工作物質的物態特性分類固體激光器紅寶石激光器摻釹釔鋁石榴石激光器.對治療青光眼特別有效.氣體激光器氦氖激光器,當今世界用的最多.氬離子激光器:可用其進行眼科手術,是焊接視網膜的理想光源.半導體激光器砷化鎵激光器:體積小,輸出波長在紅外區，所以保密性好，適合用于軍艦、飛機和坦克上。2.激光器的分類按產生激光的工作物質的物態特性分類22液體激光器以液體染料為工作物質的染料激光器于1966年問世,廣泛應用于各種科學研究領域。現在已發現的能產生激光的染料,大約在500種左右。這些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它們還可以包含在有機塑料中以固態出現，或升華為蒸汽，以氣態形式出現。所以染料激光器也稱為“液體激光器”。染料激光器的突出特點是波長連續可調。燃料激光器種類繁多,價格低廉,效率高,輸出功率可與氣體和固體激光器相媲美,應用于分光光譜、光化學、醫療和農業。化學激光器如：氟原子和氫原子“死光武器”液體激光器23原子激光器1997美國麻省理工學院鈉原子X射線激光器在科研和軍事上有重要價值，應用于激光反導彈武器中具有優勢；生物學家用X射線激光能夠研究活組織中的分子結構或詳細了解細胞機能;用X射線激光拍攝分子結構的照片,所得到的生物分子像的對比度很高。原子激光器24自由電子激光器

這類激光器比其他類型更適于產生很大功率的輻射。它的工作機制與眾不同，它從加速器中獲得幾千萬伏高能調整電子束，經周期磁場，形成不同能態的能級，產生受激輻射.世界第一臺自由電子激光器于1977年問世，中國第一臺自由電子激光器于1985年問世。自由電子激光器的能量是由外場加速后的自由電子的動能轉換而成的。其輸出功率可達很高水平，在加工、反導、雷達、通信、光化學等方面都有很大的用途，所以它一問世就受到各國科技界的重視。

自由電子激光器25幾種激光器幾種激光器26CO2激光器CO2激光器27夏普公司發布了筆記本電腦藍光或HDDVD光驅使用的藍紫色半導體激光器GH04020A4G。其直徑僅3.3mm，是世界上最小的藍光光頭。

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普通光源的發光機理是自發輻射，就好象擁擠的人群從剛散場的電影院走出，男女不一、高矮各異、衣著萬千；人們有的向東，有的向西，雜亂無章。而激光的發射機理是受激輻射，就好象是解放軍的儀仗隊，身體整齊、衣著統一、步調一致、向著一個方向前進。三.激光的特性特性：1.方向性好，2.亮度高、強度大，3291.方向性好激光是受激輻射發光，且有光學諧振腔，使得激光基本上沿諧振腔的軸線方向傳播，發散角很小（可＜10-7弧度），接近于平行光。地球月球38萬公里激光：1公里而最好的普通光源：1000多公里光斑直徑發散面積相差：100萬倍1.方向性好激光是受激輻射發光，且有光學諧振腔，使得激光基本30激光微光束手術刀，能方便的對細胞、染色體、遺傳基因等進行切割、穿孔、移植、焊接等手術。1960年世界上第一臺紅寶石激光器問世后，1961年即用于治療視網膜脫落，1963年激光光刀用于腫瘤切割。70年代醫用激光治療機在臨床各科得到廣泛應用。激光以其特有的優越性能解決了許多傳統醫學的難題。視網膜剝離眼底血管病變、虹膜切開、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治療。激光手術刀具有術中出血少，可減少細菌感染等優點。激光與中醫針灸術結合而形成的“光針”，對鎮痛、哮喘、遺尿、高血壓等有一定療效。應用１：激光微光束技術激光微光束手術刀，能方便的對細胞、染色體、遺傳基因等進行切割31應用２：激光針優點:①“扎針”時沒有疼痛.②可避免滯針、斷針、交叉感染應用３：激光測距測月，誤差：1m應用４：激光雷達

能自動精確跟蹤飛機、導彈、衛星等高速飛行體應用５：激光制導武器命中率大大提高

322.亮度高應用1:激光武器在軍事領域，激光能量提高，可以制成摧毀敵機和導彈的光武器。應用2:激光致盲武器因為激光的能量集中在很小的角度內，所以，作為光源，其亮度很高。如：一臺幾毫瓦的氦氖激光器的亮度比太陽光的亮度高幾百倍；一個較亮一點的激光的亮度比太陽表面的亮度還要高100億倍。2.亮度高應用1:激光武器因為激光的能量集中在很小的角度33激光作為武器，有很多獨特的優點。首先，它可以用光速飛行，每秒30萬公里，任何武器都沒有這樣高的速度。它一旦瞄準，幾乎不要什么時間就立刻擊中目標，用不著考慮提前量。另外，它可以在極小的面積上、在極短的時間里集中超過核武器100萬倍的能量，還能很靈活地改變方向，沒有任何發射性污染，因而具有常規威懾力量。激光作為武器，有很多獨特的優點。首先，34

激光武器分為三類：一是致盲型。二是近距離戰術型，可用來擊落導彈和飛機。1978年美國進行的用激光打陶式反坦克導彈的試驗，就是用的這類武器。三是遠距離戰略型。這類的研制困難最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反衛星、反洲際彈道導彈，成為最先進的防御武器。激光武器的效費比是比較高的。在防空武器方面，當前主體是導彈，激光武器與之相比消耗費用要便宜得多。例如，一枚“愛國者”導彈要60－70萬美元，一枚短程“毒刺”式導彈要2萬美元，而激光發射一次僅需數千美元，今后隨著技術的發展，激光發射一次的費用可降至數百美元。激光武器分為三類：一是致盲型。二是近距35機載激光武器(ABL)，ABL的目標是研制裝在經過改造的波音747飛機上安裝激光武器，用于從高空攻擊敵方的戰區彈道導彈。

機載激光武器(ABL)，ABL的目標是研制裝在經過改造的波音36激光技術總結課件37應用1:激光光波拍頻技術

可用來測量極其緩慢的速度(每秒移動幾個微米).拍攝鮮花的綻放過程.應用2:激光測長可用光波波長作為單位進行測量,這種光尺測量準確，光的單色性越好,測量的最大長度越大.3.單色性好單色性最好的氪燈：5×10-4nm紅色氦氖激光：＜1×10-8nm波長譜線寬度：630~760紅外紫外藍青綠黃橙紅紫nm白光:應用1:激光光波拍頻技術3.單色性好單色性最好的氪燈：5×384.相干性好物理學中常用“相干長度”來表示光的相干性,光源的相干長度越長,光的相干性就越好.鈉光：約為0.058cm;單色性最好的普通光源氪燈:38.5cm；激光：幾十~幾百km普通光源發出的自然光,其相干長度與光波波長具有相同的數量級；4.相干性好物理學中常用“相干長度”來表示光的相干性39應用1：引發核聚變利用激光的相干性，將其能量會聚在空間極小的區域內，可用于引發核聚變。例：若把核燃料做成比芝麻還小的固體微型小球，然后用激光作為點火器去照射它，就可使微型小球加熱到上億攝氏度的高溫，產生的能量密度高達1015J/cm3。這樣高的能量密度相當于幾十噸炸藥在1m3體積內爆炸所產生的能量，達到了原子爆炸時的超高能量密度的數量級。應用1：引發核聚變40應用2：激光全息技術

而全息照相術不僅在底片上記錄物光的強弱情況，同時還要把物光的相位記錄下來，即把物光的所有信息全部記錄下來，并通過一定的手續，“再現”出物體的立體圖像。由于全息照片記錄了景物光波的全部信息，所以再現出來的景象和原來的一模一樣。全息照片再現出來的景象是如此逼真，使人產生身臨其境之感。

普通照相術，是把從物體表面反射的光或物體本身發出的光（統稱物光）的強弱變化記錄在底片上，再在照相底片上顯示出物體的平面圖象。應用2：激光全息技術而全息照相術不僅在底片上記錄41

1.激光打孔激光技術在工業中的使用1.激光打孔激光技術在工業中的使用422.激光切割2.激光切割433.激光焊接3.激光焊接444.激光熱處理4.激光熱處理455.激光微調5.激光微調466.激光雕刻6.激光雕刻477.快速成型7.快速成型48激光及其應用激光及其應用49激光激光(laser)是受激輻射光放大(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)的縮寫。愛因斯坦在1917年研究黑體輻射時，曾預言受激輻射的存在，直到1960年，梅曼制成世界上第一臺激光器——紅寶石激光器。證明了愛因斯坦預言的正確性。

LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation即Laser，按照其意義來說應當為：“受激輻射的光放大”。形象的音譯為“鐳射”，在1964年，根據錢學森的建議，將其改稱為“激光”。這也就是我們目前最常見的稱呼了。激光激光(laser)是受激輻射光放大(LightA50激光的發展過程

遠在1893年，在波爾多一所中學任教的物理教師布盧什就已經指出，兩面靠近和平行鏡子之間反射的黃鈉光線隨著兩面鏡子之間距離的變化而變化。他雖然不能解釋這一點，但為未來發明激光發現了一個極為重要的現象。1917年,愛因斯坦:可通過受激輻射方式發光.激光是在1960年正式問世的。但是，激光的歷史卻已有100多年。激光的發展過程遠在1893年，在波爾多一所中學任教的物理511958年

美國貝爾實驗室的科學家肖洛和湯斯發現了一種奇怪的現象：當他們將閃光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。由此他們提出了“激光原理”，受激輻射可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源。湯斯和肖洛發表了關于激光器的經典論文，奠定了激光發展的基礎。

1958年521960年

1960年，美國人梅曼(T.H.Maiman)發明了世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發光材料，用發光度很高的脈沖氙燈做激發光源，獲得了人類有史以來的第一束激光。在此以后,在激光器品種方面,幾乎每年都有新的、關鍵性的重大突破.1960年1960年，美國人梅曼(T.H.Ma531961年在美國貝爾實驗室，伊朗物理學家賈萬研制出了世界上的第一臺氦氖激光器。另外，61年8月，中國科學院長春光學精密機械研究所由王之江教授負責研制成功了我國第一臺紅寶石激光器，比世界上第一臺只晚了18個月。“中國激光之父”。1961年在美國貝爾實驗室，伊朗物理學家賈萬研制出了世界上的541962年：研制成功第一臺半導體激光器。1963年：第一臺液體激光器1964年：鎖模激光器1965年：激光參量振蕩器研制成功1966年：制成染料激光器1967年：超短脈沖激光器到目前為止，激光器的品種已達數千種之多.1962年：研制成功第一臺半導體激光器。到目前為止，激光55激光技術總結課件56激光技術總結課件57激光技術總結課件58激光技術總結課件59激光技術總結課件60激光技術總結課件61一、激光的基本原理

1．粒子的能級

組成物質的原子、分子等粒子總是處于一定的能態或能級，能量最低的能態稱為基態，其它能量較高的狀態稱為激發態。基態是最穩定的狀態，通常多數粒子處在基態上，當一粒子獲得一定的能量躍遷到某一激發態時，它在激發態上停留的時間一般很短，其平均壽命大約在10-9~10-7秒。一、激光的基本原理1．粒子的能級組成物質的原子、分子等622．輻射躍遷的三種基本過程光與物質的相互作用有三種基本過程，這就是光的吸收、自發輻射和受激輻射。

1)吸收：假設E1、E2為某個粒子的兩個能級，如圖所示。一個處在較低能級E1上的粒子，吸收一個能量hn=E2-E1的光子，躍遷到較高的能級E2上，這一過程稱為光的吸收。

2．輻射躍遷的三種基本過程光與物質的相互作用有三種基本過程63受激吸收E1E2hv=E2-E1受激吸收E1E2hv=E2-E1642)自發輻射：處在高能級上的粒子可以自發地輻射光子而躍遷到較低的能級，這種過程稱為自發輻射。如圖所示，自發輻射光子的能量hn=E2-E1。

自發輻射發出的光子的傳播方向、振動方向、初相位彼此無關。特點2)自發輻射：處在高能級上的粒子可以自發地輻射光子而躍遷到較653)受激輻射：處在高能級E2上的粒子，在一個外來的能量為hn=E2-E1的光子的誘發下，躍遷到能量較低的能級E1，同時釋放出一個與誘發光子完全相同的光子的過程稱為受激輻射。受激輻射發出的光子的頻率、傳播方向、振動方向、初相位與誘發光子相同。特點3)受激輻射：處在高能級E2上的粒子，在一個外來的能量為h66

受激輻射發出的光子是同方向、同頻率、同相位、同偏振的。即受激輻射的結果是入射一個光子，而出射的卻是完全相同的兩個光子，即光被放大了。這兩個光子又會引起其它原子產生受激輻射。于是在極短的時間內激發出無數個同樣的光子。這便是激光。受激輻射發出的光子是同方向、同頻率、同相位、同偏振的。即受67光學諧振腔在工作物質兩端安裝一對嚴格平行的反射鏡可以“光放大”。光學諧振腔在工作物質兩端安裝一對嚴格平行的反射鏡可以“光放大68二.激光器

1.激光器的結構

①實現粒子數反轉——工作物質②使原子被激發——激勵裝置③實現光放大——光學諧振腔二.激光器1.激光器的結構①實現粒子數反轉——工作物質692.激光器的分類按產生激光的工作物質的物態特性分類固體激光器紅寶石激光器摻釹釔鋁石榴石激光器.對治療青光眼特別有效.氣體激光器氦氖激光器,當今世界用的最多.氬離子激光器:可用其進行眼科手術,是焊接視網膜的理想光源.半導體激光器砷化鎵激光器:體積小,輸出波長在紅外區，所以保密性好，適合用于軍艦、飛機和坦克上。2.激光器的分類按產生激光的工作物質的物態特性分類70液體激光器以液體染料為工作物質的染料激光器于1966年問世,廣泛應用于各種科學研究領域。現在已發現的能產生激光的染料,大約在500種左右。這些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它們還可以包含在有機塑料中以固態出現，或升華為蒸汽，以氣態形式出現。所以染料激光器也稱為“液體激光器”。染料激光器的突出特點是波長連續可調。燃料激光器種類繁多,價格低廉,效率高,輸出功率可與氣體和固體激光器相媲美,應用于分光光譜、光化學、醫療和農業。化學激光器如：氟原子和氫原子“死光武器”液體激光器71原子激光器1997美國麻省理工學院鈉原子X射線激光器在科研和軍事上有重要價值，應用于激光反導彈武器中具有優勢；生物學家用X射線激光能夠研究活組織中的分子結構或詳細了解細胞機能;用X射線激光拍攝分子結構的照片,所得到的生物分子像的對比度很高。原子激光器72自由電子激光器

這類激光器比其他類型更適于產生很大功率的輻射。它的工作機制與眾不同，它從加速器中獲得幾千萬伏高能調整電子束，經周期磁場，形成不同能態的能級，產生受激輻射.世界第一臺自由電子激光器于1977年問世，中國第一臺自由電子激光器于1985年問世。自由電子激光器的能量是由外場加速后的自由電子的動能轉換而成的。其輸出功率可達很高水平，在加工、反導、雷達、通信、光化學等方面都有很大的用途，所以它一問世就受到各國科技界的重視。

自由電子激光器73幾種激光器幾種激光器74CO2激光器CO2激光器75夏普公司發布了筆記本電腦藍光或HDDVD光驅使用的藍紫色半導體激光器GH04020A4G。其直徑僅3.3mm，是世界上最小的藍光光頭。

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泉峰集團是全球最重要的電動工具和光電測量產品供應商,專業..夏普公司發布了筆記本電腦藍光或HDDVD光驅使用的藍紫色半76三.激光的特性特性：1.方向性好，2.亮度高、強度大，3.單色性好，4.相干性好，5.偏振性好。

普通光源的發光機理是自發輻射，就好象擁擠的人群從剛散場的電影院走出，男女不一、高矮各異、衣著萬千；人們有的向東，有的向西，雜亂無章。而激光的發射機理是受激輻射，就好象是解放軍的儀仗隊，身體整齊、衣著統一、步調一致、向著一個方向前進。三.激光的特性特性：1.方向性好，2.亮度高、強度大，3771.方向性好激光是受激輻射發光，且有光學諧振腔，使得激光基本上沿諧振腔的軸線方向傳播，發散角很小（可＜10-7弧度），接近于平行光。地球月球38萬公里激光：1公里而最好的普通光源：1000多公里光斑直徑發散面積相差：100萬倍1.方向性好激光是受激輻射發光，且有光學諧振腔，使得激光基本78激光微光束手術刀，能方便的對細胞、染色體、遺傳基因等進行切割、穿孔、移植、焊接等手術。1960年世界上第一臺紅寶石激光器問世后，1961年即用于治療視網膜脫落，1963年激光光刀用于腫瘤切割。70年代醫用激光治療機在臨床各科得到廣泛應用。激光以其特有的優越性能解決了許多傳統醫學的難題。視網膜剝離眼底血管病變、虹膜切開、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治療。激光手術刀具有術中出血少，可減少細菌感染等優點。激光與中醫針灸術結合而形成的“光針”，對鎮痛、哮喘、遺尿、高血壓等有一定療效。應用１：激光微光束技術激光微光束手術刀，能方便的對細胞、染色體、遺傳基因等進行切割79應用２：激光針優點:①“扎針”時沒有疼痛.②可避免滯針、斷針、交叉感染應用３：激光測距測月，誤差：1m應用４：激光雷達

能自動精確跟蹤飛機、導彈、衛星等高速飛行體應用５：激光制導武器命中率大大提高

802.亮度高應用1:激光武器在軍事領域，激光能量提高，可以制成摧毀敵機和導彈的光武器。應用2:激光致盲武器因為激光的能量集中在很小的角度內，所以，作為光源，其亮度很高。如：一臺幾毫瓦的氦氖激光器的亮度比太陽光的亮度高幾百倍；一個較亮一點的激光的亮度比太陽表面的亮度還要高100億倍。2.亮度高應用1:激光武器因為激光的能量集中在很小的角度81激光作為武器，有很多獨特的優點。首先，它可以用光速飛行，每秒30萬公里，任何武器都沒有這樣高的速度。它一旦瞄準，幾乎不要什么時間就立刻擊中目標，用不著考慮提前量。另外，它可以在極小的面積上、在極短的時間里集中超過核武器100萬倍的能量，還能很靈活地改變方向，沒有任何發射性污染，因而具有常規威懾力量。激光作為武器，有很多獨特的優點。首先，82

激光武器分為三類：一是致盲型。二是近距離戰術型，可用來擊落導彈和飛機。1978年美國進行的用激光打陶式反坦克導彈的試驗，就是用的這類武器。三是遠距離戰略型。這類的研制困難最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反衛星、反洲際彈道導彈，成為最先進的防御武器。激光武器的效費比是比較高的。在防空武器方面，當前主體是導彈，激光武器與之相比消