激光原理性質(zhì)及應(yīng)用

激光原理與應(yīng)用目錄0激光簡(jiǎn)介1激光原理2激光性質(zhì)3激光應(yīng)用0激光簡(jiǎn)介1.激光是20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類(lèi)的又非常非常重大發(fā)明。

2.激光定義：由受激發(fā)射的光放大產(chǎn)生的輻射，表現(xiàn)為一些列具有頻率近似相等、位相近似一樣的相干光。3.激光理論在1916年由愛(ài)因斯坦提出，在1960年被人類(lèi)首次制造。1.激光原理1.1物質(zhì)與光相互作用受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。受激吸收：處于較低能級(jí)的粒子受到外界的激發(fā)，吸收能量，躍遷到與此能量相對(duì)應(yīng)的較高能級(jí)。自發(fā)輻射：處于高能級(jí)的電子以一定的概率自發(fā)地（沒(méi)有吸收外部能量）從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，并放出能量與兩能級(jí)能量差相等的光子。1.激光原理受激輻射：頻率為=（E2-E1）/h的光子入射工作物質(zhì)時(shí)，會(huì)使處于E2能級(jí)的粒子迅速地從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1，并放出一個(gè)光子。1.激光原理眾多自發(fā)地從E2躍遷到E1上的粒子輻射發(fā)出的光子，在相位、偏振態(tài)、傳播方向上不就有一致，是非相干光。因外來(lái)光子激發(fā)而從E2躍遷到E1上的粒子，將輻射一個(gè)與外來(lái)光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，外來(lái)光與輻射光時(shí)相干光。1.激光原理1.2激光產(chǎn)生如果大量原子處在高能級(jí)E2上，當(dāng)有一個(gè)頻率=（E2-E1）/h的光子入射，激勵(lì)E2上的原子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)特征完全相同的光子，這兩個(gè)光子再激勵(lì)E2能級(jí)上原子，又使其產(chǎn)生受激輻射，可得到四個(gè)特征相同的光子，這樣就實(shí)現(xiàn)了原來(lái)的光信號(hào)的放大。這種在受激輻射過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光。1.激光原理從上面的討論可以知道，只要有合適的入射光（能量為兩個(gè)能級(jí)差），經(jīng)受激輻射后就能產(chǎn)生具有一定強(qiáng)度的激光。但新的問(wèn)題是：入射光從何而來(lái)？解決之道——自發(fā)輻射。 自發(fā)輻射會(huì)產(chǎn)生微弱的、頻率為的熒光，可以作為受激輻射的入射光。要產(chǎn)生我們需要的高強(qiáng)度、方向性好的激光。但還有兩個(gè)問(wèn)題要解決：要獲得最大的放大效果，需要近似無(wú)窮長(zhǎng)度的增益介質(zhì)，然而這在工程上不可實(shí)現(xiàn)的，如何盡可能的增加增益物質(zhì)的長(zhǎng)度？自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子的前進(jìn)方向是隨機(jī)的，如果直接對(duì)其進(jìn)行受激輻射放大，得到的激光在方向上也是隨機(jī)的，如何選擇特定方向的光來(lái)進(jìn)行放大得到方向性很好的激光？1.激光原理在激光的實(shí)際應(yīng)用中，利用光學(xué)諧振腔來(lái)解決上述兩個(gè)問(wèn)題。結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔是在工作物質(zhì)兩端放置兩塊平行的平面鏡而構(gòu)成的平行平面腔，通過(guò)讓需要放大的光在兩塊平面鏡之間反射，實(shí)現(xiàn)了近似于無(wú)限長(zhǎng)的增益介質(zhì)；通過(guò)限制平面鏡的尺度，使得自發(fā)輻射產(chǎn)生的微弱光在諧振腔內(nèi)反射的過(guò)程中，只有靠近平面鏡中心而且方向垂直于平面鏡的那部分光才能在其中多次反射，得到足夠多次的放大而形成激光，其它方向的光則迅速溢出諧振腔外，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光方向性的選擇。1.激光原理從愛(ài)因斯坦1917提出受激輻射，到激光器1960年問(wèn)世，相隔整整43年之久？主要原因是，普通光源中粒子產(chǎn)生受激輻射的概率極小，和吸收躍遷的存在。43年1.激光原理當(dāng)頻率一定的光射入工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射和受激吸收兩過(guò)程同時(shí)存在，受激輻射使光子數(shù)增加，受激吸收卻使光子數(shù)減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，粒子在各能級(jí)上的分布，遵循平衡態(tài)下粒子的統(tǒng)計(jì)分布律。按統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，處在較低能級(jí)E1的粒子數(shù)必大于處在較高能級(jí)E2的粒子數(shù)。這樣光穿過(guò)工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會(huì)減弱不會(huì)加強(qiáng)。受激吸收受激輻射1.激光原理1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要實(shí)現(xiàn)光的放大，必須使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，也就要使處在高能級(jí)E2的粒子數(shù)大于處在低能級(jí)E1的粒子數(shù)。這種分布正好與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱(chēng)為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”，簡(jiǎn)稱(chēng)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。1958年，美國(guó)兩位微波領(lǐng)域的科學(xué)家湯斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw)打破了40年激光研究的沉寂局面，發(fā)表了著名論文《紅外與光學(xué)激射器》，指出了以受激輻射為主的發(fā)光的可能性，以及要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)光度必要條件條件是實(shí)現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。理論研究表明，任何工作物質(zhì)，在適當(dāng)?shù)募?lì)條件下，可在粒子體系的特定高低能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。利用泵浦方式實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2激光的特點(diǎn)方向性好激光朝一個(gè)方向射出，傳播過(guò)程中光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度/千米，光速接近平行。1962年，人類(lèi)第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬(wàn)公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個(gè)月球。2激光的特點(diǎn)單色性好光的顏色有光的波長(zhǎng)決定，激光是受激輻射光，輻射光的頻率和激發(fā)光頻率相同。激光器輸出的光，波長(zhǎng)分布范圍非常窄，因此光的顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長(zhǎng)分布范圍可以窄到2×10^-9納米。2激光的特點(diǎn)亮度高激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光，大量光子集中在一個(gè)極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度極高。

2激光的特點(diǎn)

在激光發(fā)明前，人工光源中高壓脈沖疝燈的亮度最高，與太陽(yáng)的亮度不相上下，而紅寶石激光器的亮度，超過(guò)氙燈的幾百億倍。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產(chǎn)生的照度約為0.02勒克斯（光照度的單位），顏色鮮紅，激光光斑明顯可見(jiàn)。

若用功率最強(qiáng)的探照燈照射月球，產(chǎn)生的照度只有約一萬(wàn)億分之一勒克斯，人眼根本無(wú)法察覺(jué)。疝燈2激光的特點(diǎn)干涉性好激光可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會(huì)聚到一點(diǎn)上，把能量高度集中起，一臺(tái)巨脈沖紅寶石激光器的亮度比太陽(yáng)表面的亮度高若干倍。

但是它的能量密度很大因?yàn)樗淖饔梅秶苄?，一般只有一個(gè)點(diǎn)，所以短時(shí)間里聚集起大量的能量。

3激光的應(yīng)用3.1醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用醫(yī)學(xué)是應(yīng)用激光技術(shù)最早、最廣泛和最活躍的一門(mén)邊緣學(xué)科。在1960年世界上第一臺(tái)紅寶石激光器研制成功后的第二年激光光視網(wǎng)膜凝固機(jī)就在眼病治療獲得應(yīng)用。目前激光治療在臨床可分為：眼科激光治療、外科激光手術(shù)、用于美容目的的皮膚病激光治療、口腔激光和激光理療等等。3.1醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用激光在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用原理：激光能在生物組織中傳播及與目標(biāo)相互作用能表現(xiàn)出的一些光學(xué)特性。3.1.1激光在心血管中的應(yīng)用利用激光與心肌組織作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)，用高強(qiáng)度激光束在缺血的心肌區(qū)域內(nèi)打數(shù)個(gè)微孔，通過(guò)這些微孔把心腔中的血液引向缺血的心肌區(qū)域，改善心肌血液微循環(huán)以達(dá)到治療的目的。目前，在荷蘭激光技術(shù)經(jīng)成功地應(yīng)用于血管的搭橋術(shù)。3.1醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

3.1.2激光在眼科中的應(yīng)用在近視治療中用的激光是一種人眼看不見(jiàn)的波長(zhǎng)為193nm的紫外線光束，其光子能量大，波長(zhǎng)極短，對(duì)組織的穿透力極弱，不會(huì)穿入眼內(nèi)，僅被組織表面吸收，對(duì)周?chē)M織無(wú)損或損傷極微。利用激光的熱效應(yīng)，把要去除的部分組織予以精確氣化，以此改變角膜前表面的形態(tài)，調(diào)整角膜的屈光力，使外界光線能夠準(zhǔn)確地在眼底會(huì)聚成象，達(dá)到矯正近視的目的。到目前為止全球已有上千名萬(wàn)患者通過(guò)激光激光近視治療，摘掉了眼睛。3.1醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用3.1.3中醫(yī)治療學(xué)中的應(yīng)用據(jù)激光對(duì)生物組織的弱刺激作用和生物組織的超微發(fā)光特性，可利用激光針灸、此外用激光向血管內(nèi)照射來(lái)診斷和治療疾病，這種診斷和治療方法已經(jīng)取得了許多的成果。近年來(lái)，在激光針灸的計(jì)算機(jī)輔助診斷方面，已經(jīng)研究出了相關(guān)的硬件和軟件系統(tǒng)。3.2激光通訊激光通信，利用激光承載信號(hào)，激光在大氣空間傳輸?shù)囊环N通信方式。電信號(hào)光敏器件光調(diào)制器光信號(hào)激光束光學(xué)天線發(fā)射光信號(hào)接收天線光信號(hào)聚焦光檢測(cè)器大氣電信號(hào)3.2激光通訊激光通信優(yōu)點(diǎn)：信息容量大：頻率高，更多的可利用頻帶。保密性強(qiáng)：定向性，光束纖細(xì)，短時(shí)間內(nèi)傳輸大量數(shù)據(jù)，減

少持續(xù)通信時(shí)間，竊聽(tīng)不易。設(shè)備輕便：發(fā)散角很小能量集中,落在接收天線上的功率密度高,

大大降低發(fā)射機(jī)發(fā)射功率，非常利用之間衛(wèi)星通信。

3.2激光通訊系統(tǒng)重量輕：發(fā)射機(jī)功耗低，供電系統(tǒng)重量輕；光束集中，散射角小，導(dǎo)致發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡的口徑都很小，擺脫了微波系統(tǒng)巨大的碟形天線，重量和體積減輕很多非常有利于衛(wèi)星通信。但是激光在大氣中傳輸時(shí)受雨、霧、雪、霜等影響，衰耗要增大，故一般用于邊防、海島、跨越江河等近距離通信，以及大氣層外的衛(wèi)星間通信和深空通信微波天線激光天線3.3激光技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用

3.3.1激光快速成形液態(tài)光敏樹(shù)脂吸收紫外波段的激光能量后將發(fā)生凝固，變化成固體材料。將待制造的模型程序輸入計(jì)算機(jī)。激光束由計(jì)算機(jī)控制光路系統(tǒng)，在模型材料上掃描刻劃，激光束所到之處，原先是液態(tài)的材料凝固起來(lái)，形成模型。激光成型速度快，模型精度高。該技術(shù)已在航空航天、電子、汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。3.3激光技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用3.3.2激光焊接激光束照射在材料上，會(huì)把它加熱至融熔，使對(duì)接在一起的組件接合在一起，即是焊接。激光焊接優(yōu)點(diǎn)：1.用激光焊接不需要任何焊料，焊接組件不會(huì)受到受污染；2.激光束可被光學(xué)系統(tǒng)聚成直徑很細(xì)的光束，可看著非常精細(xì)的焊槍?zhuān)捎脕?lái)進(jìn)行精密；3.激光焊接與組件不直接接觸，可以對(duì)遠(yuǎn)離激光器的組件焊接，也可以把放置在真空室內(nèi)的組件焊接起來(lái)。所以，激光焊接技術(shù)在微電子工業(yè)中尤其受歡迎。3.3激光技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用3.3.3激光切割原理：激光束照射到鋼板表面時(shí)釋放的能量使不銹鋼熔化并蒸發(fā)，激光源功率為500～2500瓦，激光通過(guò)透鏡和反射鏡，使光束聚集在很小的區(qū)域。高度集中的能量能夠進(jìn)行迅速局部加熱，使不銹鋼蒸發(fā)。激光切割技術(shù)是一門(mén)光、機(jī)、電集合的技術(shù)。激光切割設(shè)備通常采用計(jì)算機(jī)化數(shù)字控制技術(shù)（CNC）裝置，采用該裝置后，就可以利用電話(huà)線從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）工作站來(lái)接受切割數(shù)據(jù)。3.3激光技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用切割質(zhì)量好：表現(xiàn)在切口寬度窄（一般為0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1--0.4mm，輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好，切縫一般不需要再加工即可焊接。切割速度快：表現(xiàn)在，例如采用2KW激光，8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區(qū)小,變形極小。清潔、安全、無(wú)污染、噪音小3.4激光冷卻溫度是構(gòu)成物體的粒子運(yùn)動(dòng)劇烈程度的表征，粒子的運(yùn)動(dòng)速度越大，溫度越高；反之，運(yùn)動(dòng)速度越小則溫度越低。激光冷卻是（lasercooling）利用激光和原子的相互作用減速原子運(yùn)動(dòng)以獲得超低溫原子的高新技術(shù)。冷卻原理：原子在頻率略低于原子躍遷能級(jí)差且相向傳播的一對(duì)激光束中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，原子傾向于吸收與原子運(yùn)動(dòng)方向相反的光子，而對(duì)與其相同方向行進(jìn)的光子吸收幾率較??；吸收后的光子將各向同性地自發(fā)輻射。平均地看來(lái)，兩束激光的凈作用是產(chǎn)生一個(gè)與原子運(yùn)動(dòng)方向相反的阻尼力，從而使原子的運(yùn)動(dòng)減緩，實(shí)現(xiàn)降溫。3.4激光冷卻1985年，美籍華裔物理學(xué)家朱棣文和他的同事首次實(shí)現(xiàn)了激光冷卻原子的實(shí)驗(yàn)，并得到了極低溫度——24μK（絕對(duì)0度是0K）的鈉原子氣體。3.4激光武器激光武器已有30多年的發(fā)展歷史，目前低能激光武器已經(jīng)投入使用，主要用于干擾和致盲較近距離的光電傳感器，以及攻擊人眼和一些增強(qiáng)型觀測(cè)設(shè)備。激光武器的特點(diǎn)：激光速度30萬(wàn)公里每秒，現(xiàn)在的武器都沒(méi)有這樣高的速度。激光一旦瞄準(zhǔn)，幾乎不要什么時(shí)間就立刻擊中目標(biāo)。另外，它可以在極小的面積上、在極短的時(shí)間里集中超過(guò)核武器100萬(wàn)倍的能量，還能很靈活地改變方向，沒(méi)有任何放射性污染。激光搶艦載激光武器機(jī)載激光武器3.5激光在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用1.用激光照射玉米種子能增產(chǎn)俄羅斯科學(xué)院科學(xué)家利用紅色激光照射玉米種子，使每株玉米的果穗比未照射激光的重100多克，提高了玉米的產(chǎn)量。由于激光的顏色、照射時(shí)間、強(qiáng)度和方向都非常容易調(diào)整控制，因此，這是一種很有發(fā)展前途的提高農(nóng)作物產(chǎn)量的育種方法。2.

用激光照射種子可防作物病蟲(chóng)害哈薩克斯坦的農(nóng)業(yè)專(zhuān)家研究出：在播種前1～2個(gè)星期，不用化學(xué)藥劑，而是利用激光對(duì)作物種子進(jìn)行照射，使種子消毒和滅菌，從而達(dá)到預(yù)防病蟲(chóng)害的目的。這項(xiàng)技術(shù)在實(shí)踐中取得了良好的效果。3.5激光在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用3.給素菜剝皮一般蔬菜或水果的皮是干燥的，而里面的果肉是潮濕的，激光光線把蔬菜的干燥的外皮給燒掉。目前，馬鈴薯激光剝皮法已申請(qǐng)了專(zhuān)利，并已經(jīng)成功地應(yīng)用在了馬鈴薯的除皮流水線上。4.給植物施光根據(jù)農(nóng)作物的不同的生長(zhǎng)期，給農(nóng)作物照射不同顏色和不同劑量的光。用激光照射部分農(nóng)作物的種子，可以提高其發(fā)芽率和出苗率。在農(nóng)作物的苗期或生長(zhǎng)期，使用適當(dāng)劑量的激光照射植株，可以大大促進(jìn)它的生長(zhǎng)發(fā)育。這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)為激光的生物刺激反應(yīng)。3.5激光在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用日本北海道農(nóng)業(yè)研究所采用激光和水培法相結(jié)合栽種水稻能獲得好收成。采用大功率半導(dǎo)體激光器在缽內(nèi)育苗，8天后移到營(yíng)養(yǎng)液中栽培生長(zhǎng)，同時(shí)在生長(zhǎng)期間伴以紅色波長(zhǎng)的激光和藍(lán)色的熒光燈燈光照射水稻，使其高效率地進(jìn)行光合作用，56～68天內(nèi)全部成熟。按照這種栽培法的生長(zhǎng)期計(jì)算，1年至少可收獲5次。

1.ShenJianxin，ZhouRurong，ZongRenhe.Exeimerlaser

ceornealtissueinteractionsandapplieations[j].ChinesejournalOfQuanturnElectronics（量子