激光原理及其应用(还匹配相应word版本)

科学方法与思考—激光原理及应用Nobel指导老师：戴长建学院：理学院班级：11级应用物理一班姓名：陈星妤学号：20113556发展历史产生原理技术应用发展前景1234ContentsPage目录页*引言为什么我要做关于《激光原理及应用》的课题？

激光被誉为是人类现代科技史上最伟大的发明之一。自激光问世以来，它在军事、工业、国防、生物、化学等领域都有着非常广泛的应用，正在影响和改变和人们的生活。由于激光技术的先进性和精确性，所以在当前，在很多行业都得以应用和实现。本文就激光的发展历史、产生原理、应用及发展前景做了具体介绍。TransitionPage过渡页*发展历史产生原理技术应用发展前景1234爱因斯坦提出“受激发射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。

美国物理学家CharlesTownes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（英文首字母缩写maser）。Townes的博士生GordonGould创造“laser”这个单词,从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利，相关法律纠纷维持了近30年。

美国加州Hughes实验室的TheodoreMaiman实现了第一束激光。激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。1917年1953年1957年1960年1961年1962年1969年1971年1974年1978年1982年1983年1988年1990年1991年1996年2008年2010年激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家DennisGabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。第一个超市条形码扫描器出现1975年：IBM投放第一台商用激光打印机。利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机，不过价格很高。第一台紧凑碟片（CD）播放机出现，第一部CD盘是美国歌手BillyJoel在1978年的专辑52ndStreet。里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器。北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造。第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器。法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。美国国家核安全管理局（NNSA）表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘（质量数2）和氚（质量数3），解决了核聚变的一个关键困难。发展历史1.1激光的发展史1.2激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）（以下是关于激光技术的理论基础）1907年诺贝尔物理学奖迈克尔孙（AlbertAbrahamMichelseon，1852-1931）光学精密计量和光谱学研究他以精密测量光的速度和以空前的精确度进行以太漂移实验而闻名于世。他发明的以他的名字命名的干涉仪至今还有广泛应用。1.2激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）（以下是关于激光技术的理论基础）1918年诺贝尔物理学奖普朗克MaxKarlErnstLudwingPlanck(1858-1947)能量级的发现能量子假设的提出，具有划时代的意义。1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）（以下是关于激光技术的理论基础）1922年诺贝尔物理学奖尼尔斯·玻尔NielsBohr1885-1962原子结构和原子光谱尼尔斯·玻尔的原子理论取得了很大成功，完满地解释了请光谱的频率规律，即所谓的巴尔默公式。从他的理论推算，各基本常数如电子电荷，电子质量，普朗克常数和里德伯常数之间取得了定量的协调。他阐明了光谱的发射和吸收，并且成功地解释了元素的周期表，使量子理论取得了重大进展。尼尔斯·玻尔之所以成功，在于他全面地集成了前人的工作，正确地加以综合，在旧的经典理论和信的实验事实的矛盾面前勇敢地肯定实验事实，冲破旧的理论的束缚，从而建立了能基本适于原子现象的定态跃迁原子模型。1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）（以下是关于激光技术的理论基础）1923年诺贝尔物理学奖密立根RobertAndrewsMillikan1868-1953

基本电荷和光电效应实验1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）（以下是关于激光技术的理论基础）1929年诺贝尔物理学奖路易斯·德布罗意PrinceLouis-victordeBroglie1892-1987电子的波动性1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）（以下是关于激光技术的理论基础）1961年诺贝尔物理学奖霍夫斯塔特RobertHofstadter1915-1990核子结构他在电子受原子核散射的先驱性研究及由此获得的核子结构的发现1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）（以下是关于激光技术的理论基础）1961年诺贝尔物理学奖穆斯塔尔RudolfHofstadter1915-1990穆斯堡尔效应他对γ辐射的共振吸收的研究和发现与此练习的以他的名字命名的效应。1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）（以下是关于激光技术的理论基础）1963年诺贝尔物理学奖维格纳EugenePaulWigner1902-1995对原子核和基本粒子理论，特别是通过基本对称原理的发现和应用所作的贡献1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）（以下是关于激光技术的理论基础）1963年诺贝尔物理学奖格佩特-迈耶MariaGoeppert1906-1972

延森J.Hans.D.Jensen1907-1973他们在发现核壳层结构方面做了巨大贡献1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）1964年诺贝尔物理学奖汤斯CharlesH.Townes1915-汤斯小组历经两年的试验，终于在1953年制成了第一台微波激射器，取名为“微波激射放大器”（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation),简称MASER(微波激射器）。1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）1964年诺贝尔物理学奖巴索夫NikolayG.Basov1922-普罗霍罗夫AleksandrM.Prokhorov1916-他们从事量子电子学方面的基础工作，这些工作导致了基于微波激射器和激光原理制成的振荡器和放大器1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）1968年诺贝尔物理学奖阿尔瓦雷斯LuisW.Alvarez1911-1988共振态的发现他对基本粒子物理学的决定性贡献，特别是发现了许多共振态，这些发现是由于他发展了氢泡室技术和数据分析方法才成为可能。1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）1971年诺贝尔物理学奖伽博DennisGabor1900-1979全息术的发明1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）1981年诺贝尔物理学奖布隆姆贝根NicolaasBloembergen

肖洛

ArthurL.Schawlow在发展激光光谱学所作的巨大贡献1.2

激光的发展史发展历史与激光有关的诺贝尔奖（NobelPrize）1997年诺贝尔物理学奖朱棣文StephenChu

科恩-塔诺季ClaudeCohen-Tannoudji

菲利普斯WilliamD.Phillips激光冷却和陷俘原子TransitionPage过渡页*发展历史产生原理技术应用发展前景12342.0目录产生原理2.1

激光的三大特性

……P232.2

物理概念

……P242.3

激光产生条件

……P452.4

激光器的结构

……P512.1激光的三大特性方向性好：一束激光射到38万km的月球上，光斑的直径只有2km。单色性好：激光的单色性比普通光高10倍以上。能量集中：脉冲瞬时功率大（可达～1014瓦）。激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高。相干性好：所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。

产生原理均在点击这里返回产生原理2.2物理概念要学习激光的产生原理，首先需要理解以下几个物理概念：①能级

⑤受激辐射②跃迁

⑥受激吸收和受激辐射之间的关系③自发辐射

⑦粒子数反转④受激吸收

⑧玻尔兹曼分布规律产生原理2.2物理概念—能级

物质是由原子组成，而原子又是由原子核及电子构成。电子围绕着原子核运动。而电子在原子中的能量不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的“能级”，不同的能级对应于不同的电子能量，离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道可最多容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道（也是最近原子核的轨道）最多只可容纳2个电子，较高的轨道上则可容纳8个电子等等。产生原理2.2物理概念—能级原子能级图手稿能级是用来表达在一定能层上（K、L、M、N、O、P、Q）而又具有一定形状的电子云的电子。“能级”一词是从物理学中借用过来的概念，原意是说原子由原子核和核外绕核运转的电子构成，电子由于具有不同的能量，就按照各自不同的轨道围绕原子核运转，即能量不同的电子处于不同的相应等级，这种现象在管理学上同样存在。产生原理产生原理产生原理2.2物理概念—跃迁

电子可以通过吸收或释放能量从一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。产生原理产生原理2.2物理概念—跃迁电子能级跃迁图

电子可以通过吸收或释放能量从一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。产生原理产生原理2.2物理概念—跃迁

如图所示，在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。产生原理产生原理2.2物理概念—自发辐射产生原理产生原理2.2物理概念—自发辐射

高能级的电子在没有外界作用下自发地迁移至低能级，并在跃迁时产生光（电磁波）辐射，辐射光子能量为hv=E2-E1，即两个能级之间的能量差。这种辐射的特点是每一个电子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差，方向散乱。光源的光主要是靠自发辐射产生原理产生原理2.2物理概念—受激吸收

受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态。电子可通过吸收光子从低能级跃迁到高能级。

普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等的发光）都是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。产生原理产生原理2.2物理概念—受激辐射产生原理产生原理2.2物理概念—受激辐射

受激辐射是指处于高能级的电子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。

受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。产生原理产生原理2.2物理概念—受激吸收和受激辐射之间的关系

受激吸收和受激辐射之间的关系那么到底原子吸收外来的光子后，是表现为受激吸收呢?还是表现为受激辐射呢？产生原理产生原理

在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。2.2物理概念—受激吸收和受激辐射之间的关系产生原理产生原理

如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的原子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。2.2物理概念—受激吸收和受激辐射之间的关系产生原理产生原理

若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，我们就得到被高度放大的光。但是，在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布规律。

因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。2.2物理概念—受激吸收和受激辐射之间的关系产生原理产生原理产生原理

一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。2.2物理概念—粒子数反转粒子数反转示意图产生原理产生原理2.2物理概念—粒子数反转但是在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。如何才能达到粒子数反转状态呢？

这需要利用激活媒质。所谓激活媒质(也称为放大媒质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体，也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。产生原理产生原理2.2物理概念—玻尔兹曼分布规律路德维希·玻尔兹曼(LudwigEdwardBoltzmann1844.2.20-1906.9.5)，热力学和统计物理学的奠基人之一。玻尔兹曼1844年出生于奥地利的维也纳，1866年获得维也纳大学博士学位。玻尔兹曼的贡献主要在热力学和统计物理方面。1869年，他将麦克斯韦速度分布律推广到保守力场作用下的情况，得到了玻尔兹曼分布律。1872年，玻尔兹曼建立了玻尔兹曼方程（又称输运方程），用来描述气体从非平衡态到平衡态过渡的过程。1877年他又提出了著名的玻尔兹曼熵公式。产生原理产生原理2.2物理概念—玻尔兹曼分布规律

在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝e(-E/kT)，这就是著名的波耳兹曼分布规律。N∝e(-E/kT)于是在上、下两个能级上的原子数密度比为：N2/N1∝e-(E2-E1)/kT式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2>E1，所以N2《N1。产生原理产生原理2.2物理概念—玻尔兹曼分布规律产生原理产生原理2.2物理概念—玻尔兹曼分布规律

值得注意的是，在环境温度不同的条件下所测量求得的k值，并没有受到影响，与理论推导值k=1.380662×10-23J/K，相对误差都在0.1%以内，较精确地计算出k值。两次的拟合指数均是0.99997，从而可以看出U2与U1之间能够很好的满足指数规律。实验误差产生原理产生原理2.3激光产生过程产生激光的三大条件①能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态的增益介质；②要使受激发射光强超过受激吸收，必须实现粒子数反转n2-n1×g2/g1>0（方法是利用外界激励能源把大量粒子激励到高能级）；③要使受激发射光强超过自发发射，必须提高光子简并度。（方法：利用光学谐振腔造成强辐射场，以提高腔内光场的相干性）。产生原理产生原理2.3激光产生过程

首先，原子吸收外部注入的能量，跃迁至受激态（E3）。原子处于受激态的时间非常短，大约为10－7秒后，它便会落到一个称为亚稳态（E2）的中间状态。原子在亚稳态的时间很长，大约是10－3秒或更长的时间。原子长时间停留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此时的状态称就是粒子数反转。产生原理产生原理产生原理2.3激光产生过程以红宝石激光器为例，它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原子。微量的铬原子产生原理产生原理产生原理2.3激光产生过程

在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。

此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能阶。而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。产生原理产生原理产生原理2.3激光产生过程

设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过﹔而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。产生原理产生原理产生原理2.3激光产生过程产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。

以红宝石激光为例，原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，大约10-7秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状。原子停留在亚稳态的时间很长，大约是10-3秒或更长的时间。电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目。

粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。产生原理产生原理产生原理2.4激光器的结构工作物质激励源（泵浦）谐振腔激光器的大要素产生原理产生原理2.4激光器的结构①工作物质：激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。关键是能在这种介质中实现粒子数反转，以获得产生激光的必要条件。显然，亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。工作物质产生原理产生原理2.4激光器的结构谐振腔

有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。

还需要将辐射的光进行放大，于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。如何解决？产生原理产生原理2.4激光器的结构谐振腔

所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，平行装上两块反射率很高的镜片，一块为全反射镜片，一块为部分反射、少量透射镜片。产生原理产生原理2.4激光器的结构谐振腔全反射镜片的作用是将入射的光全部按原路径反射回去部分反射镜片的作用是将能量未达到一定限度的部分光子按原路径反射回去，而达到一定能量限度的光子则透射而出。这样，透射而出的这部分光子就成为我们需要的，经过放大了的激光；而被反射回工作介质的光，则继续诱发新一轮的受激辐射，光将逐渐被放大。产生原理产生原理2.4激光器的结构谐振腔

光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，直到能量达到一定的限度，从部分反射镜片中输出。产生原理产生原理2.4激光器的结构

为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。电激励：一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子光激励：用脉冲光源来照射工作介质热激励化学激励……

各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。激励源（泵浦）产生原理产生原理2.4激光器的结构激光器的分类V价值观气体激光器液体激光器固体激光器半导体激光器工作介质v根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大，还可以按发光的频率和发光功率大小分类。产生原理TransitionPage过渡页*发展历史产生原理技术应用发展前景1234技术应用3.1激光器的应用具体应用光纤通信军事科技工业生产医疗卫生炫酷流行日常生活光纤常被电信公司用于传达电话、构建网络等。跟传统的铜线相比光纤的信号衰减小、抗干扰能力高，特别是在远距离、大容量传输场合，光纤的优势更为明显。激光在科技、军事上的应用也有很多。如激光光谱、激光雷达、激光武器(远程击毁导弹)等等。激光灭蚊的产品推出，利用激光消灭蚊子。激光器每秒可击毙50只到100只蚊子。除了速度快之外，该激光器还很精准，还能区别蝴蝶和蚊子，也能分辨雌蚊子和雄蚊子之类。如激光打标、激光打孔、激光裁床、激光切割、激光绣花等等。激光的迅速准确的特性能够更好的在工业生产上发挥重要作用，同时也能够更好的节约成本。如激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗，其中激光治疗又分为：激光手术治疗、弱激光生物刺激作用的非手术治疗和激光的光动力治疗。镭射就是个很好的激光应用例子，他可以把影像在空中投影，就是我们常说的空气投影，手表上就可以没有表面，中间悬空显示时间，保准你回头率高！找的到图片要把图片展示出来！！技术应用3.2激光核聚变

核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。技术应用3.2激光核聚变激光核聚变主要有种用途：

为人类找到一种用不完的清洁能源

可以研制真正的“干净”核武器

可以部分代替核试验。

因此，激光核聚变在民用和军事上都具有十分重大的意义。TransitionPage过渡页*发展历史产生原理技术应用发展前景1234发展前景4.激光的发展前景世界各国在激光核聚变上的发展

美国不仅拥有世界上最大的“诺瓦”激光器、世界上功率最大的X射线模拟器，而且