激光原理、特性及幾種典型應(yīng)用分析.doc

1、本 科 生 畢 業(yè) 論 文論 文 題 目 激光原理、特性及幾種典型應(yīng)用分析 學(xué) 生 姓 名 彭 文 昌 學(xué) 號 2007021211 專 業(yè) 名 稱 物 理 學(xué) 論文提交日期 2011年3月21日 申請學(xué)位級別 理學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文評審等級 指導(dǎo)教師姓名 楊 春 艷 職 稱 講師 工 作 單 位 玉溪師范學(xué)院 學(xué)位授予單位 玉溪師范學(xué)院 玉溪師范學(xué)院理學(xué)院物理系二一一年三月激光原理、特性及幾種典型應(yīng)用分析彭文昌 （玉溪師院理學(xué)院物理系07級2班 云南 玉溪 653100）指導(dǎo)老師：楊春艷摘 要：本文高度概括了激光的產(chǎn)生原理、激光的特性，并列舉了四種典型的激光應(yīng)用技術(shù)。并且結(jié)合激光的高單色性、高亮

2、度性、高相干性和高方向性，分析現(xiàn)實(shí)生活生產(chǎn)中對這些激光特性的應(yīng)用技術(shù)，分別有激光測距、激光打孔、激光顯微鏡和激光信息處理等。關(guān)鍵詞：受激輻射 ；粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ；激光原理 ；激光特性 ；典型應(yīng)用1.引言激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，其亮度約為太陽光的50億倍。第一臺激光器是由美國科學(xué)家梅曼于1960年首次研制成功的。由于激光具有不同于一般光源的優(yōu)越特性，使得激光在很多領(lǐng)域得到重用。目前，激光技術(shù)已經(jīng)廣泛融入我們的日常生活之中了，如激光精密加工、激光信息處理、激光醫(yī)療等。對激光的原理、特性及應(yīng)用進(jìn)行深入的探討分析，對我們了解激光的基本知識和廣泛應(yīng)用具有非常深刻

3、的意義。2.激光原理“激光”是光受激輻射放大的簡稱，它通過輻射的受激發(fā)射而實(shí)現(xiàn)光放大，具有單色性佳，亮度高，相干性強(qiáng)，方向性好的特點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)光子射入一個(gè)原子體系以后，在離開該原子體系時(shí)，分離成了兩個(gè)或更多個(gè)光子，而且這些光子具有完全相同的特征，這就是光放大。但是光與原子體系相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在著吸收、自發(fā)輻射與受激輻射三種過程，不會只存在受激輻射過程，要得到激光就必須使受激輻射勝過吸收和自發(fā)輻射，即需出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過程和通過光學(xué)諧振腔處理。2.1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)設(shè)單位時(shí)間、單位體積內(nèi)原子體系吸收的光能量為。受激輻射產(chǎn)生的光能量為，則在單位體積單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的凈光能量為 其中是光的輻射能量密度，h

4、是普朗克常量，b是受激輻射系數(shù)，是光的頻率，n為粒子數(shù)密度，設(shè)此原子體積元為dv，截面積為s，t為輻射作用時(shí)間，長度方向沿z軸，de表示光能量的變化，則單位時(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的凈光能量可表為引入光強(qiáng)i ，則 c表示光速，則令 根據(jù)波耳茲曼的平衡態(tài)分布定律，在通常情況下，吸收的能量總是大于受激輻射的能量，但如果我們破壞粒子數(shù)的熱平衡分布，使，那么，受激輻射能量將大于吸收的能量，受激輻射過程勝過吸收過程，這時(shí)的粒子數(shù)分布已經(jīng)不是平衡態(tài)分布了，該過程稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。并非任何物質(zhì)都能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)中，也不是在該物質(zhì)的任意兩個(gè)能級間都能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，理論分析和實(shí)驗(yàn)都表明：三能

5、級系統(tǒng)是有可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。其能級壽命很短，而是亞穩(wěn)態(tài)，能級壽命較長。于是就在和這一對能級間形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為基態(tài)能級，由于基態(tài)能級上總是聚集著大量的粒子，因此要實(shí)現(xiàn)，外界抽運(yùn)就需要相當(dāng)強(qiáng)，為了克服三能級系統(tǒng)的缺點(diǎn)，人們找到了四能級系統(tǒng)的工作物質(zhì)，如氦氖激光器和二氧化碳激光器都是四能級激光器。處于激發(fā)態(tài)能級的原子，可以通過自發(fā)輻射和受激輻射回到基態(tài)。在這兩個(gè)過程中，自發(fā)輻射往往是主要的。一般光源中，自發(fā)輻射大大超過了受激輻射。所以我們需要光學(xué)諧振腔處理來實(shí)現(xiàn)激光輸出。2.2光學(xué)諧振腔受激輻射除了與吸收過程相矛盾外，還與自發(fā)輻射相矛盾。為了克服這個(gè)矛盾，可以設(shè)計(jì)一種裝置使某一方向上的受激輻

6、射不斷得到放大和加強(qiáng)，使受激輻射在某一方向上產(chǎn)生振蕩，而其他方向傳播的光很容易逸出腔外，以致在這一特定方向上的受激輻射超過自發(fā)輻射，這種裝置叫光學(xué)諧振腔。全反光鏡 工作物質(zhì) 部分反光鏡圖1 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔起著正反饋、諧振和輸出的作用。如圖1，位于作為放大元件的工作物質(zhì)兩端，相互平行且垂直于工作物質(zhì)的軸線方向上放置一塊全反射鏡和一塊部分反射鏡，這樣就能起到光學(xué)諧振腔的作用。圖2 平面諧振腔能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)在外界的激勵(lì)下，就有許多粒子躍遷到激發(fā)態(tài)上。激發(fā)態(tài)的粒子不穩(wěn)定，會跳回基態(tài)，并向四面八方發(fā)射出自發(fā)輻射光子，偏離軸向的光子很快逸出諧振腔外，只有軸向的光子，由于受到反射而不至于逸

7、出腔外，以致產(chǎn)生了軸向的受激輻射。受激輻射發(fā)射出的光子與引起受激輻射的光子有相同的頻率、發(fā)射方向、偏振狀態(tài)和相位，沿軸向傳播的光在兩個(gè)反射鏡之間來回反射，往復(fù)通過已實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活介質(zhì)，不斷引起新的受激輻射，使軸向行進(jìn)的該頻率的光得到放大，這個(gè)過程稱為光振蕩。諧振腔有多種，若將平面諧振腔中的兩平面鏡換成球面鏡，光線在諧振腔內(nèi)來回反射時(shí)能維持在腔軸附近而不逸出腔外，從而就能得到穩(wěn)定的諧振腔結(jié)構(gòu)，如圖3所示。具備了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)物質(zhì)和一個(gè)穩(wěn)定的諧振腔，還必須減少損耗，方能實(shí)現(xiàn)激光輸出。圖3 穩(wěn)定諧振腔3.激光的特性概括地說，激光有四高特性：高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性。它們之間并非彼此

8、獨(dú)立，而是相互聯(lián)系的。3.1激光的高方向性激光的高方向性主要指其光束的發(fā)散角小，光束的立體角為 式中表示平面發(fā)散角，是波長，是光束截面直徑。激光束的發(fā)散角主要是由于激光器輸出孔徑處的衍射造成的，它還與振蕩模式、腔長、工作物質(zhì)等有關(guān)?；鶛M模的發(fā)散角最小，橫模的階次越高，發(fā)散角越大。因此，適當(dāng)?shù)倪x橫模技術(shù)，使激光器工作在基橫模狀態(tài)時(shí)有利于改善激光的方向性。諧振腔越長，方向性越好。激光的高方向性使其能有效的傳輸較長的距離，同時(shí)還能保證聚焦后得到極高的功率密度。另外，高方向性可獲得高的橫向空間相干性。3.2激光的高亮度性光源的亮度(b)定義為光源單位發(fā)光表面(s)沿給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光功率(

9、p)的大小，即 單位為。普通光源所發(fā)出的光是連續(xù)的，并且在立體角內(nèi)傳播，能量很分散，所以亮度不高，由于激光器的發(fā)光截面(s)和立體發(fā)散角都很小，故其輸出功率(p)很大。不僅如此，具有很高亮度的激光束經(jīng)透鏡聚焦后，能在焦點(diǎn)處產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬度的高溫，這就使其能加工高熔點(diǎn)、高硬度的材料。3.3激光的高單色性單色性常用或來表征，其中和分別為輻射波的中心頻率和波長，是譜線的寬度。原有單色性最好的光源是氪燈，其單色性數(shù)值為量級。而穩(wěn)頻激光器的輸出單色性可達(dá)到量級，比氪高幾萬倍甚至幾千萬倍。激光器的單色性還與振蕩模式及激光工作物質(zhì)有關(guān)，多縱模激光器的單色性比單縱模激光器差，固體激光器的單色性比氣體激光器

10、差，單色性最差的激光器要屬半導(dǎo)體激光器。激光的高單色性保證了光束經(jīng)聚焦元件后能得到很小的焦斑尺寸，從而得到很高的功率密度。另外，高單色性可獲得高的時(shí)間相干性。3.4激光的高相干性激光的高相干性是在光的波動理論基礎(chǔ)上描述光波各個(gè)部分的位相關(guān)系。由于激光中每個(gè)光子的運(yùn)動狀態(tài)（頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向）都相同，因此它的相干性能比普通光源要強(qiáng)得多。相干性包括時(shí)間相干性與空間相干性。3.41時(shí)間相干性時(shí)間相干性是描述沿光束傳播方向上各點(diǎn)的位相關(guān)系。光源的時(shí)間相干性與單色性相聯(lián)系。光源的譜線寬度越窄，相干時(shí)間就越長。相干長度也越長，相干長度為由于激光的線寬非常窄，故時(shí)間相干性較好。3.4.2空間相干性

11、空間相干性是描述垂直于光束傳播方向的波面上各點(diǎn)之間的位相關(guān)系，它與光源的方向性相聯(lián)系。對于激光來說，只有屬于同一個(gè)橫模模式的光子才是空間相干的，否則不相干。因此激光的空間相干性由激光器的橫模結(jié)構(gòu)所決定。如果激光器是單橫模，則它是完全空間相干的；如果激光器是多橫模，則它的空間相干性能變差。激光的相干性有很多重要應(yīng)用，如使用激光干涉儀進(jìn)行檢測，比普通干涉儀速度快、精度高。用激光作為全息照相的光源，也是利用它的相干性能好這一特點(diǎn)。4.激光應(yīng)用作為高科技術(shù)主要組成部分之一的激光技術(shù)，是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志和現(xiàn)代信息社會光電子技術(shù)的重要支柱之一。其發(fā)展不僅受到技術(shù)先進(jìn)國家的高度重視，也受到許多

12、發(fā)展中國家高度重視，并給以高額的投入。4.1激光測距距離的測量，是各生產(chǎn)領(lǐng)域最重視的一個(gè)項(xiàng)目，特別是軍事領(lǐng)域，因?yàn)闃屌谏鋼?、偵察等都需要精確的距離數(shù)據(jù)。激光一出現(xiàn)，各種軍用激光測距儀也相繼發(fā)展起來。4.1.1激光測距的優(yōu)點(diǎn)由于激光具有高方向性和高相干性，較窄的光束可使激光能量高度集中，短的脈沖寬度可提高測距中的計(jì)時(shí)精度，波長比微波波長小三個(gè)數(shù)量級以上，不僅使激光的橫向和縱向目標(biāo)分辨力大大提高，而且不受電磁干擾和地波干擾。同時(shí)激光器可以不用巨大的天線就可以發(fā)射極窄的光束，和微波相比，優(yōu)勢明顯，不但測量更精確，而且使得測距儀器體積小、重量輕。4.1.2激光脈沖測距的原理激光測距的原理是對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射

13、激光脈沖，激光遇目標(biāo)后反射，由于光的傳播速度為常數(shù)，只要測出激光脈沖從出發(fā)至收到回波的渡越時(shí)間，即可算出目標(biāo)距離。 如圖4所示，若測出脈沖往返時(shí)間t，則目標(biāo)距離為t 其中c是光速。 圖4 渡越時(shí)間圖 為了準(zhǔn)確地測量渡越時(shí)間t，精確的測定發(fā)射時(shí)刻和接收時(shí)刻非常關(guān)鍵，所以選用激光脈沖。 光電2光電1計(jì)數(shù)器激光器 分光鏡 發(fā)射接收光學(xué)系統(tǒng) 圖5 測距機(jī)原理框架圖 設(shè)所測量的脈沖渡越時(shí)間為 式中為時(shí)鐘周期，為計(jì)時(shí)脈沖的個(gè)數(shù)。因?yàn)榻邮彰}沖與時(shí)鐘是異步的，所以測量有一個(gè)時(shí)鐘周期的誤差。因此目標(biāo)修正距離可表示為 式中為時(shí)鐘頻率。4.2激光打孔激光打孔加工的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣。激光打孔加工是指高功率激光集中作用于

14、被加工物體的某一點(diǎn)，以實(shí)施對被加工物的打孔。比如，用于金屬拉絲的金剛石拉絲模具打孔，鐘表紅寶石軸承上打孔，手術(shù)用針的打孔等。作為激光加工機(jī)的能源，激光與普通的熱源相比，具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢。4.2.1 激光打孔的特點(diǎn) 激光加工是一種熱加工方法。由于激光的高單色性和高亮度性，使其可以加工高熔點(diǎn)、高硬度材料。另外，激光進(jìn)行非接觸加工時(shí)，即使對微小的零件也不會產(chǎn)生作用力。因此適于細(xì)微部位的加工。同時(shí)由于激光束在空間和時(shí)間上高度集中，利用透鏡聚焦，可以將光斑直徑縮小到微米級從而獲得的激光功率密度，同普通的機(jī)械加工、電火花加工等常規(guī)打孔加工相比，激光打孔具有以下顯著特點(diǎn)：(1)可獲得較大的深徑比。一般機(jī)械

15、或電火花打孔的深徑比不超過10，但激光器可在耐腐蝕的高熔點(diǎn)合金上打口徑為的小孔，其深徑比可達(dá)250左右.(2)適合于數(shù)量多、高密度的群孔加工。(3)非接觸加工可在難加工的傾斜面上加工小孔。4.2.2激光打孔的激光加熱機(jī)理當(dāng)加工金屬物體，激光進(jìn)入金屬物體的穿透深度大致為。由此看來，大部分光能被加工物體表面吸收轉(zhuǎn)換成熱能。若激光聚焦為圓形光斑，材料的表面溫度可表示為，假設(shè)激光照射在無限大固體表面半徑為的圓區(qū)域。表面反射率為r，此時(shí)，圓周中心表面以下深度z處的溫度可表示為： 式中是激光功率（w）；是熱擴(kuò)散率，等于，是熱導(dǎo)率，是密度，是比熱，是脈沖寬度即為照射時(shí)間（s），是圓形照射區(qū)域的半徑。當(dāng)光斑半

16、徑時(shí)，光束中心的表面溫度可以近似用下式表示為： 這里，（1-r）是吸收率，是激光的功率密度， t是照射時(shí)間。假如金屬表面的反射率為50%，激光脈沖寬度為1ms，直徑為1mm，通過該式計(jì)算可知，在幾焦激光能量的作用下，材料表面的加熱溫度就超過了熔點(diǎn)。4.3 激光顯微鏡1950年minsky首次提出共焦點(diǎn)顯微鏡的設(shè)想，由于當(dāng)時(shí)沒有足夠高亮度的光源，未能做到滿意的觀測，該顯微鏡的實(shí)用化是在激光技術(shù)大力發(fā)展的20世紀(jì)80年代以后。4.3.1 激光共焦點(diǎn)顯微鏡的特點(diǎn)為了以細(xì)胞級（微米級）的空間分辨力來觀察生物體，通常先做組織切片標(biāo)本，在利用光學(xué)顯微鏡觀察，如果利用激光共焦點(diǎn)顯微鏡，則不需要做切片標(biāo)本也能

17、以同樣的高分辨力觀察生物體。4.3.2 激光共焦點(diǎn)顯微鏡的原理激光共焦點(diǎn)顯微鏡的原理如圖6。激光器發(fā)出的光經(jīng)針孔并經(jīng)透鏡聚光后照射到試樣的觀察點(diǎn)上，在試樣內(nèi)形成針孔的一次像，再經(jīng)物鏡和空間濾波器在檢測器上成二次像?？臻g濾波器置于與針孔共軛的位置上，起著重要的作用。觀察點(diǎn)上成像光束的一部分，由于在前后的物體上受到散射，所以在空間濾波器前后成二次像，這些成像光束被濾波器阻擋，從而在檢測器上可得到對比度較高的觀測點(diǎn)的像。為了得到二維圖像，對試樣進(jìn)行掃描。 檢測器聚光透鏡生物體試樣物鏡針孔濾波器偏離焦點(diǎn)面焦平面圖6 激光共焦點(diǎn)顯微鏡的原理圖（透射型） 點(diǎn)光源讀出器聚光及物鏡生物體試樣光束分離器圖7 反

18、射型激光共焦點(diǎn)顯微鏡的原理圖實(shí)際上常采用如圖7所示的反射型結(jié)構(gòu)，成像光束是在組織內(nèi)部所產(chǎn)生的反射或后反射光。 4.4 激光信息處理進(jìn)入多媒體時(shí)代，大量的信息處理技術(shù)越發(fā)顯得重要。作為支持這一技術(shù)的光盤存儲技術(shù)尤其引人注目。4.4.1 激光信息處理技術(shù)特點(diǎn)(1)由于激光束可以高精度聚焦，使得光盤密度高、存儲信息量大，每片可保存幾百到幾千兆字節(jié)的信息這是傳統(tǒng)的存儲設(shè)備所無法比擬的。(2)可以隨時(shí)進(jìn)行讀取和寫入，存取和復(fù)制速度較快 (3)光盤將聲音、文字、數(shù)宇、同形、圖象等信息融為一體，是多媒體交互式信息載體，它對周圍世界的記錄與再現(xiàn)更加形象、逼真。4.4.2 激光信息處理的原理音樂、圖像等輸出的信

19、息，以長短、間距不一的凹坑形式被刻錄在光盤上，通過聚焦的微細(xì)激光寫入、讀出這些信息。激光視唱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖8所示。光電二極管透鏡半導(dǎo)體激光器光盤槽r 圖8 激光視唱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)將一系列凹坑稱作紋跡，軌道間距r為1.6 。因此，光盤能夠高密度地記錄信息。若要從凹坑中讀取信息，必須使聚焦后的激光尺寸小于軌道間隙。透鏡的聚焦能力與開口數(shù)na有關(guān)。聚焦光斑的直徑d可按下式求出：這里na 透鏡直徑/2焦點(diǎn)距離。唱盤播放時(shí)使用專門設(shè)計(jì)的透鏡，na最大0.5左右。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光的波長是0.78 ，所以d約為0.8 。只有激光光源能夠聚焦成如此細(xì)小的光斑。若是普通光源，即使是最高級的透鏡也無法聚焦成像激

20、光光源那樣小的光斑。激光寫入和讀取信息原理如圖9。激光經(jīng)透鏡聚焦后焦點(diǎn)落在盤面之上，由于凹坑處的反射光發(fā)生散射，因此返回至透鏡的反射光量減少，而沒有凹坑部位的反射光量卻非常高。由此，就可以讀出0和1的數(shù)據(jù)信號了。凹坑散射反射光入射光反射光入射光無凹坑時(shí)有凹坑時(shí)圖9 聚焦的激光讀取凹坑信息原理圖。5.結(jié)論通過對激光原理、特性概括性的認(rèn)識，知道其具有不同于普通光源的優(yōu)越特性，聯(lián)系實(shí)際，我們對它的優(yōu)越特性加以利用。在激光測距應(yīng)用中，由于激光的高方向性和高相干性，使得測量變得更加的精確和方便；在激光打孔應(yīng)用中，由于激光具有單色性好、亮度高、發(fā)散角小的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對細(xì)小物體的精密加工；在激光顯微鏡應(yīng)用中

21、，由于激光的高亮度性，可以不需要做切片標(biāo)本就能以很高的分辨力觀察生物體；在激光信息處理應(yīng)用中，由于激光的高相干性和高單色性，可以實(shí)現(xiàn)光盤中大量數(shù)據(jù)信息的寫入和讀取。 激光技術(shù)已經(jīng)普遍于我們生產(chǎn)生活中的各個(gè)角落。通過本篇論文的撰寫，使我對激光的知識有了更深層次的了解，擴(kuò)展了我的專業(yè)知識，也讓我認(rèn)識到激光原理、特性及應(yīng)用的重要性。相信激光技術(shù)將在更多的領(lǐng)域?yàn)槲覀兎?wù)。致 謝論文寫作過程中得到楊春艷老師細(xì)心的幫助和專業(yè)的指導(dǎo)，在此表示最衷心的感謝！參考資料：1王青圃，張行愚，劉澤金，李平. 激光原理m. （山東濟(jì)南）：山東大學(xué)出版社，20032 姚啟鈞. 光學(xué)教程m. （北京）：高等教育出版社，20

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