激光原理性质及应用

激光原理与应用目录0激光简介1激光原理2激光性质3激光应用0激光简介1.激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又非常非常重大发明。

2.激光定义：由受激发射的光放大产生的辐射，表现为一些列具有频率近似相等、位相近似一样的相干光。3.激光理论在1916年由爱因斯坦提出，在1960年被人类首次制造。1.激光原理1.1物质与光相互作用受激吸收、自发辐射、受激辐射。受激吸收：处于较低能级的粒子受到外界的激发，吸收能量，跃迁到与此能量相对应的较高能级。自发辐射：处于高能级的电子以一定的概率自发地（没有吸收外部能量）从高能级向低能级跃迁，并放出能量与两能级能量差相等的光子。1.激光原理受激辐射：频率为=（E2-E1）/h的光子入射工作物质时，会使处于E2能级的粒子迅速地从能级E2跃迁到能级E1，并放出一个光子。1.激光原理众多自发地从E2跃迁到E1上的粒子辐射发出的光子，在相位、偏振态、传播方向上不就有一致，是非相干光。因外来光子激发而从E2跃迁到E1上的粒子，将辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，外来光与辐射光时相干光。1.激光原理1.2激光产生如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率=（E2-E1）/h的光子入射，激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这样就实现了原来的光信号的放大。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。1.激光原理从上面的讨论可以知道，只要有合适的入射光（能量为两个能级差），经受激辐射后就能产生具有一定强度的激光。但新的问题是：入射光从何而来？解决之道——自发辐射。 自发辐射会产生微弱的、频率为的荧光，可以作为受激辐射的入射光。要产生我们需要的高强度、方向性好的激光。但还有两个问题要解决：要获得最大的放大效果，需要近似无穷长度的增益介质，然而这在工程上不可实现的，如何尽可能的增加增益物质的长度？自发辐射产生的光子的前进方向是随机的，如果直接对其进行受激辐射放大，得到的激光在方向上也是随机的，如何选择特定方向的光来进行放大得到方向性很好的激光？1.激光原理在激光的实际应用中，利用光学谐振腔来解决上述两个问题。结构最简单的光学谐振腔是在工作物质两端放置两块平行的平面镜而构成的平行平面腔，通过让需要放大的光在两块平面镜之间反射，实现了近似于无限长的增益介质；通过限制平面镜的尺度，使得自发辐射产生的微弱光在谐振腔内反射的过程中，只有靠近平面镜中心而且方向垂直于平面镜的那部分光才能在其中多次反射，得到足够多次的放大而形成激光，其它方向的光则迅速溢出谐振腔外，通过这种方式实现了对激光方向性的选择。1.激光原理从爱因斯坦1917提出受激辐射，到激光器1960年问世，相隔整整43年之久？主要原因是，普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小，和吸收跃迁的存在。43年1.激光原理当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。受激吸收受激辐射1.激光原理1.3粒子数反转要实现光的放大，必须使受激辐射占优势，也就要使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为“粒子数反转分布”，简称“粒子数反转”。1958年，美国两位微波领域的科学家汤斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw)打破了40年激光研究的沉寂局面，发表了著名论文《红外与光学激射器》，指出了以受激辐射为主的发光的可能性，以及要实现受激发光度必要条件条件是实现“粒子数反转”。理论研究表明，任何工作物质，在适当的激励条件下，可在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转。利用泵浦方式实现粒子数反转。2激光的特点方向性好激光朝一个方向射出，传播过程中光束的发散度极小，大约只有0.001弧度/千米，光速接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。2激光的特点单色性好光的颜色有光的波长决定，激光是受激辐射光，辐射光的频率和激发光频率相同。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此光的颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10^-9纳米。2激光的特点亮度高激光亮度极高的主要原因是定向发光，大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度极高。

2激光的特点

在激光发明前，人工光源中高压脉冲疝灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的亮度，超过氙灯的几百亿倍。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。

若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。疝灯2激光的特点干涉性好激光可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起，一台巨脉冲红宝石激光器的亮度比太阳表面的亮度高若干倍。

但是它的能量密度很大因为它的作用范围很小，一般只有一个点，所以短时间里聚集起大量的能量。

3激光的应用3.1医学中的应用医学是应用激光技术最早、最广泛和最活跃的一门边缘学科。在1960年世界上第一台红宝石激光器研制成功后的第二年激光光视网膜凝固机就在眼病治疗获得应用。目前激光治疗在临床可分为：眼科激光治疗、外科激光手术、用于美容目的的皮肤病激光治疗、口腔激光和激光理疗等等。3.1医学中的应用激光在医学中应用原理：激光能在生物组织中传播及与目标相互作用能表现出的一些光学特性。3.1.1激光在心血管中的应用利用激光与心肌组织作用产生的热效应，用高强度激光束在缺血的心肌区域内打数个微孔，通过这些微孔把心腔中的血液引向缺血的心肌区域，改善心肌血液微循环以达到治疗的目的。目前，在荷兰激光技术经成功地应用于血管的搭桥术。3.1医学中的应用

3.1.2激光在眼科中的应用在近视治疗中用的激光是一种人眼看不见的波长为193nm的紫外线光束，其光子能量大，波长极短，对组织的穿透力极弱，不会穿入眼内，仅被组织表面吸收，对周围组织无损或损伤极微。利用激光的热效应，把要去除的部分组织予以精确气化，以此改变角膜前表面的形态，调整角膜的屈光力，使外界光线能够准确地在眼底会聚成象，达到矫正近视的目的。到目前为止全球已有上千名万患者通过激光激光近视治疗，摘掉了眼睛。3.1医学中的应用3.1.3中医治疗学中的应用据激光对生物组织的弱刺激作用和生物组织的超微发光特性，可利用激光针灸、此外用激光向血管内照射来诊断和治疗疾病，这种诊断和治疗方法已经取得了许多的成果。近年来，在激光针灸的计算机辅助诊断方面，已经研究出了相关的硬件和软件系统。3.2激光通讯激光通信，利用激光承载信号，激光在大气空间传输的一种通信方式。电信号光敏器件光调制器光信号激光束光学天线发射光信号接收天线光信号聚焦光检测器大气电信号3.2激光通讯激光通信优点：信息容量大：频率高，更多的可利用频带。保密性强：定向性，光束纤细，短时间内传输大量数据，减

少持续通信时间，窃听不易。设备轻便：发散角很小能量集中,落在接收天线上的功率密度高,

大大降低发射机发射功率，非常利用之间卫星通信。

3.2激光通讯系统重量轻：发射机功耗低，供电系统重量轻；光束集中，散射角小，导致发射和接收望远镜的口径都很小，摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量和体积减轻很多非常有利于卫星通信。但是激光在大气中传输时受雨、雾、雪、霜等影响，衰耗要增大，故一般用于边防、海岛、跨越江河等近距离通信，以及大气层外的卫星间通信和深空通信微波天线激光天线3.3激光技术在工业上的应用

3.3.1激光快速成形液态光敏树脂吸收紫外波段的激光能量后将发生凝固，变化成固体材料。将待制造的模型程序输入计算机。激光束由计算机控制光路系统，在模型材料上扫描刻划，激光束所到之处，原先是液态的材料凝固起来，形成模型。激光成型速度快，模型精度高。该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。3.3激光技术在工业上的应用3.3.2激光焊接激光束照射在材料上，会把它加热至融熔，使对接在一起的组件接合在一起，即是焊接。激光焊接优点：1.用激光焊接不需要任何焊料，焊接组件不会受到受污染；2.激光束可被光学系统聚成直径很细的光束，可看着非常精细的焊枪，可用来进行精密；3.激光焊接与组件不直接接触，可以对远离激光器的组件焊接，也可以把放置在真空室内的组件焊接起来。所以，激光焊接技术在微电子工业中尤其受欢迎。3.3激光技术在工业上的应用3.3.3激光切割原理：激光束照射到钢板表面时释放的能量使不锈钢熔化并蒸发，激光源功率为500～2500瓦，激光通过透镜和反射镜，使光束聚集在很小的区域。高度集中的能量能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。激光切割技术是一门光、机、电集合的技术。激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术（CNC）装置，采用该装置后，就可以利用电话线从计算机辅助设计（CAD）工作站来接受切割数据。3.3激光技术在工业上的应用切割质量好：表现在切口宽度窄（一般为0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距误差0.1--0.4mm，轮廓尺寸误差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好，切缝一般不需要再加工即可焊接。切割速度快：表现在，例如采用2KW激光，8mm厚的碳钢切割速度为1.6m/min；2mm厚的不锈钢切割速度为3.5m/min，热影响区小,变形极小。清洁、安全、无污染、噪音小3.4激光冷却温度是构成物体的粒子运动剧烈程度的表征，粒子的运动速度越大，温度越高；反之，运动速度越小则温度越低。激光冷却是（lasercooling）利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。冷却原理：原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束中运动时，由于多普勒效应，原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子，而对与其相同方向行进的光子吸收几率较小；吸收后的光子将各向同性地自发辐射。平均地看来，两束激光的净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力，从而使原子的运动减缓，实现降温。3.4激光冷却1985年，美籍华裔物理学家朱棣文和他的同事首次实现了激光冷却原子的实验，并得到了极低温度——24μK（绝对0度是0K）的钠原子气体。3.4激光武器激光武器已有30多年的发展历史，目前低能激光武器已经投入使用，主要用于干扰和致盲较近距离的光电传感器，以及攻击人眼和一些增强型观测设备。激光武器的特点：激光速度30万公里每秒，现在的武器都没有这样高的速度。激光一旦瞄准，几乎不要什么时间就立刻击中目标。另外，它可以在极小的面积上、在极短的时间里集中超过核武器100万倍的能量，还能很灵活地改变方向，没有任何放射性污染。激光抢舰载激光武器机载激光武器3.5激光在农业上的应用1.用激光照射玉米种子能增产俄罗斯科学院科学家利用红色激光照射玉米种子，使每株玉米的果穗比未照射激光的重100多克，提高了玉米的产量。由于激光的颜色、照射时间、强度和方向都非常容易调整控制，因此，这是一种很有发展前途的提高农作物产量的育种方法。2.

用激光照射种子可防作物病虫害哈萨克斯坦的农业专家研究出：在播种前1～2个星期，不用化学药剂，而是利用激光对作物种子进行照射，使种子消毒和灭菌，从而达到预防病虫害的目的。这项技术在实践中取得了良好的效果。3.5激光在农业上的应用3.给素菜剥皮一般蔬菜或水果的皮是干燥的，而里面的果肉是潮湿的，激光光线把蔬菜的干燥的外皮给烧掉。目前，马铃薯激光剥皮法已申请了专利，并已经成功地应用在了马铃薯的除皮流水线上。4.给植物施光根据农作物的不同的生长期，给农作物照射不同颜色和不同剂量的光。用激光照射部分农作物的种子，可以提高其发芽率和出苗率。在农作物的苗期或生长期，使用适当剂量的激光照射植株，可以大大促进它的生长发育。这个现象被称为激光的生物刺激反应。3.5激光在农业上的应用日本北海道农业研究所采用激光和水培法相结合栽种水稻能获得好收成。采用大功率半导体激光器在钵内育苗，8天后移到营养液中栽培生长，同时在生长期间伴以红色波长的激光和蓝色的荧光灯灯光照射水稻，使其高效率地进行光合作用，56～68天内全部成熟。按照这种栽培法的生长期计算，1年至少可收获5次。

1.ShenJianxin，ZhouRurong，ZongRenhe.Exeimerlaser

ceornealtissueinteractionsandapplieations[j].ChinesejournalOfQuanturnElectronics（量子