激光技术论文

PAGE激光原理与应用技术简介摘要：本文简要的介绍了一下激光的产生和发展史，简述了产生激光的基本原理和激光器的组成，并在此基础上从工业、医疗、信息、军事等几个主要领域简单介绍了激光技术的重要应用及其发展前景。关键词：激光；原理；应用；0.引言激光是上世纪最大的、也是最实用的发明，是与热核技术、半导体、电子计算机和航天技术相媲美的一个举世瞩目的重大科技成就。经过50多年的发展，激光的应用已经遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域，远远超出了人们原有的预想：激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮……，在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用。1.激光特性简介激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词的头一个字母组成的缩写词，意思是“受激辐射的光放大”，受激辐射是基于爱因斯坦的理论：在组成物质的原子中，有不同数量的电子分布在不同的能级上，在高能级上的电子受到某种光子的激发，会从高能级跃迁到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。激光主要有四大特性：激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。[1]亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它比拟。但是，激光的总能量并不一定很大，由于激光能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。方向性好——普通光源向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。单色性好——普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。而某种激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。由于激光的单色性好，为精密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。相干性好——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。激光的这一特性使全息照相成为现实。激光的以上四个特性使激光技术开始快速应用与科技、军事和社会发展的许多领域，激光技术彰显出其强大的生命力。2.激光原理2.1激光产生的物质基础光量子学说认为，光是一种以光速c运动的光子流，光子和其他基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性和波动属性之间的关系如下：（1）光子能量E与光波频率对应E=h；（2）光子具有运动质量m，并可表示为，光子的静止质量为零；（3）光子的动量P与单色平面波的波矢对应P=；（4）光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向；（5）光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。为了简化问题，我们只考虑原子的两个能级和，处于两个能级的原子数密度分别为和，如图2-1所示。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为，并有。可改写为，由此式可以看出，如果能够创造这样一种情况：使得腔内某一特定模式的很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某一特定模式内，而不是平均分配在所有模式中。由可知，在同一热力学温度下，频率越小（波长越长）的光，光子简并度越大，相干性越好。要是光子简并度高进而相干性越好，需要波长尽量长，温度尽量高。受激辐射和自发辐射分别产生相干和非相干光子，若能设法使某一模式的大大增加，而其他的则大大减少，则此特定模式的光子简并度就会大大增加。激光器就是采用各种技术措施减少腔内光场模式数、使介质的受激辐射恒大于受激吸收等来提高光子简并度，从而达到产生激光的目的。光腔选模作用——为了减少腔内光场模式数，将一个充满物质原子（或分子）的柱体腔（黑体）去掉侧壁，只保留两个端面壁，形成开腔。如果端面壁对光的反射系数很高，则沿垂直端面的腔轴方向传播的光在腔内多次反射不逸出腔外，而所有其他方向的光则很容易逸出腔外。这相当于在腔内能够存在的光场模式只有少数几个，达到了光波模式的选择作用。光腔的反馈作用——光放大器在许多大功率装置中广泛地用来把弱的激光束逐级放大，但在光放大的同时通常还存在着光的损耗，根据研究光强达到稳定的极限值只与放大器本身的参数有关，而与初始光强无关。特别是，不管初始光强多么弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强稳定极限值，而实际上，既不需要给激活物质输入一个弱光信号，也不需要真正把激活物质的长度无限增加，而只要在具有一定长度的光放大器两端放置前述的光学谐振腔。这样，沿轴向传播的光波模在两反射镜间往返传播，就等于增加放大器长度。这种作用称为光学谐振腔的反馈作用。[2]2.2.2光的受激辐射放大条件实现光放大的两个条件：=1\*GB3①激励能源——把介质中的粒子不断地由低能级抽运到高能级去；=2\*GB3②增益介质——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。在热平衡状态，腔内物质原子数按能级分布应服从波尔兹曼分布：，（g为能级简并度），可知，因，所以，即在热平衡状态下，高能级粒子集居数恒小于低能级集居数，当频率的光通过物质时，受激吸收光子数恒大于受激辐射光子数。因此，处于热平衡状态下的物质只能吸收光子。但是，在一定的条件下物质的光吸收可以转化为光放大。这个条件就是，称其为粒子数反转。一般来说，当物质处于热平衡状态时，粒子数反转时不可能的，只有当外界向物质提供能量，从而使物质处于非平衡状态时，才可能实现粒子数反转。实现反转的手段有：激励或泵浦或抽运，由外界能源向粒子系统输入能量，使大量粒子跃迁到高能级。处于粒子数反转状态的物质称为激活物质，一段激活物质就是一个光放大器。光放大作用通常用增益系数G来描述，设在光传播方向上z处的光强为I（z），则，积分得，这就是线性增益情况如图2-5所示。I（z）I（z）0z图2-5增益物质的光放大实际上光强的增加是由于高能级粒子向低能级受激跃迁的结果，或者说光放大是以单位体积内粒子反转数差值的减小为代价的。而且，光强越大，减少的越多，所以，随I的增加而减少，增益系数也随I增加而减少，这一现象称为增益饱和效应。[2]2.2.3产生激光的基本条件及激光器的组成部分产生激光的基本条件是：=1\*GB3①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\*GB3②要使受激发射光强超过受激吸收，必须实现粒子数反转（方法是利用外界激励能源把大量粒子激励到高能级。）；=3\*GB3③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。）。激光器的组成部分及其作用：一个激光器应包含泵浦源、光放大器和光学谐振腔三部分。其作用分别是使激光物质成为激活物质、对弱光信号进行放大、模式选择和提供轴向光波模的反馈。3.激光技术的应用世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。激光的应用，按照激光探头是否与激光作用的物质接触，分为接触式和非接触式两种工作模式。激光应用的领域，主要有工业、医疗、商业、科研、信息和军事六个领域。下面主要从激光在工业、医疗、信息和军事四个方面来简单介绍一下激光技术的应用：3.1激光技术在工业中的应用工业应用中，主要有材料加工和测量控制。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术。它的应用范围一般可分为激光加工系统和激光加工工艺。激光加工系统包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。激光加工工艺包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。下面简单介绍几种激光加工工艺：=1\*GB3①激光焊接。汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。目前，激光—等离子弧复合焊接技术正在被研究和投入使用，它具有刚性好、温度高、方向性强、电弧引燃性好、加热区窄等优点，适用于薄板对接、镀锌板搭接、钛合金、铝合金等高反射率和高热导率材料的焊接及切割、表面合金化等[3]。=2\*GB3②激光切割。汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。=3\*GB3③激光打孔。激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。=4\*GB3④激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。=5\*GB3⑤激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。激光在测距方面的应用。这是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。现在广泛使用的手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千米，测量精度为五米左右。我国研制的对卫星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度，一般要在被测目标上安装激光反射器。它测量的相对误差为百万分之一。激光测距仪与微波雷达结合，还可以发挥激光波速窄的特长，弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。[4]激光测绘。目前，在工程建筑与物体三维测量的领域，三维激光测绘技术已得到广泛应用，其具有高速率、高精度的独特优势。在以道路和相关地物地形修测为主的地形图修测、城市三维空间信息采集、更新、立体建模和城市建设等方面，具备低成本、高效率、快速测量等特点的车载激光测绘对我国数字化城市建设，以及军事测绘等测绘工程提供了有力的技术支持[5]。从激光技术在材料加工和测量等方面的重要应用来看，激光在未来的工业中必将发挥更重要的作用。3.2激光在医疗方面的应用激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后者则以激光作为能量载体。多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面：光动力疗法治癌；激光治疗心血管疾病；准分子激光角膜成形术；激光美容术；激光纤维内窥镜手术;激光腹腔镜手术;激光胸腔镜手术；激光关节镜手术；激光碎石术；激光外科手术；激光在吻合术上的应用；激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用；弱激光疗法等。下面简单介绍一下激光全息成像和激光手术。激光全息成像。全息照相术与一般照相不同，照相是记录物体信息的一种技术，一般是将物体通过透镜成像在底片上，底片乳胶只记录光强(振幅)，而不能记录相位，因而失掉了三维特征。而全息照相底片上不只记录光强(振幅)，也记录相位(各点间的相互位相关系)，也就是记录物的全部信息，所以称为全息。全息照片的实质是将来自物体的波前和另一个参考波(通常是平面波或球面波)相干涉，底片记录干涉条纹，将同样的参考波照射此底片时，可在相应位置重新出现三维物体。例如，利用全息可以拍到活体眼的角膜、晶状体和视网膜相片，从而对眼的各层介质进行活体观察，这是用其它方法难以办到的眼全息图，亦可表示出眼内的异物的大小、形状和位置。激光手术。激光可作为良好的手术刀用，它不但运用于一切手术开刀，而且具有良好的选择性，与常规手术刀相比，激光手术的最大特点是失血少，对于某些部位和器官用激光作手术最有优越性。用激光“刀”来切开骨头，几乎和切皮肤一样“快”，这就比普通手术刀优越多了。一般来说，切骨手术要使用锯子和凿子，比如打开一小块头骨就要用一个小时，医生费力，病人受苦。使用激光“刀”，就可以大大减轻医生的劳动强度，并减轻病人的痛苦。激光“刀”的另一个突出优点是激光对生物组织有热凝固效应，因此它可以封闭切开的小血管，减少出血。医生在激光“刀”的帮助下，向手术禁区发动了进攻，攻克了一个个顽固堡垒。比如血管瘤，一动刀就会出血，往往危及生命，是碰不得的地方；医术再高明的医生也爱莫能助。自从有了防止出血的激光手术“刀”，医生就大胆地闯入了这块禁地了。用激光“刀”为病人治疗口腔血管瘤，手术成功率高达90％。医务工作者还用激光“刀”成功地对血管十分丰富的肝脏禁区进行了手术。与传统医学诊断和治疗方法对比，激光诊断技术对病体的诊断更准确方便，激光手术刀更是有其快速、精确、安全可靠、出血少、伤口愈合快等传统手术无法比拟的突出优点，在不久的将来，激光诊断和治疗将会成为医疗的重要手段。3.3激光技术在信息方面的应用激光技术在信息领域的应用主要为激光通信方面。激光通信。激光是频率单一的电磁波，频率高达几亿兆赫，用它作载波传送话音信号时，由于每路电话所占的频带宽度为4000赫兹，故可容纳上百亿路电话同时通话；若用它传送电视节目，由于每套电视节目所占用的频带宽度为10兆赫，故可同时播送1000万套电视节目而互不干扰。按激光光波传输途经的不同，激光通信有大气激光通信与水下激光通信两种方式。大气激光通信与微波通信相比，具有保密性强，抗电磁干扰等优点。而水下潜艇过去一直使用超长波通信，电波穿透海水的能力只有几十米，又极不安全，这一向是个难题。而激光能穿透几千米的海水。1981年5月，美国在圣地亚哥海域上空，用一架飞行在13000米高度的飞机，采用波长为0.530微米的激光束发出信息，穿透大气层和海水，与一艘巡航在300米深度的导弹核潜艇进行了成功的通信试验。这种蓝绿激光的对潜通信，今后还可从地面、舰艇上发射激光，经由卫星上的反射镜反射到水下。空间激光通信。随着卫星、空间平台、航空平台搭载的有效载荷逐渐向高分辨率、款覆盖方向发展，对海量数据实时传输的要求越来越迫切，而当前的射频通信的速率已接近理论极限，不能满足传输速率的要求，因而阻碍了现代信息化的发展。而空间激光通信技术恰恰能在通信速率和通信带宽上有效地克服射频通信的技术瓶颈，所以，今年来运用激光技术的空间激光通信传输速率越来越高。经过近二十年的发展，空间激光通信系统的诸多关键技术已经得到了突破，不断提高了现代信息化的需求。[7]光纤通信。光纤通信全称为光导纤维通信，光导纤维通信就是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。光纤由内芯和包层组成，内芯一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还细；外面层称为包层，包层的作用就是保护光纤。[8]光纤通信能实现低损耗、低色散传输，使传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。光纤通信在单位时间内能传输的信息量大。一对单模光纤可同时开通35000个电话，而且它还在飞速发展。光纤通信的建设费用正随着使用数量的增大而降低，同时它具有体积小，重量轻，使用金属少，抗电磁干扰、抗辐射性强，保密性好，频带宽，抗干扰性好，防窃听、价格便宜等优点[9]。中国已建立了一定规模的光纤通信产业。中国生产的光纤光缆、半导体电子激光器件和光纤通信系统能供国内建设，并有少量出口。光纤本身制造属性决定，光纤仍然有较大的发展空间：新光纤研制，光子晶体。实际上，特别是中国，省内农村有许多空白需要建设；3G移动通信网的建设也需要光纤网来支持；随着宽带业务的发展、网络需要扩容等，光纤通信仍有巨大的市场。现在每年光纤通信设备和光缆的销售量是上升的。3.4激光技术在军事上的应用激光在军事上的应用主要有激光制导、激光侦查和激光武器等方面。激光制导。这是继雷达、红外、电视制导之后发展起来的一种精确制导技术。已经研制成功的激光制导武器有激光制导炸弹、空地导弹、地空导弹、反坦克导弹、炮弹等。激光制导方式分为寻的制导和波束制导（亦称驾束制导）。激光制导的主要缺点是易受云、雾、雨、雪和烟尘等影响，不能全天候使用；另外，在激光制导武器飞向目标的过程中，需要激光指示器持续不断地照射目标，这就会使地面的观察人员或空中的指示飞机较长时间暴露于敌火力之下。激光侦察。在军事技术侦察中，这可算