激光的產(chǎn)生原理及其應(yīng)用

1、of?laser?technology,?so?in the current,?in?many industriesto?application and implementation.?Based on分類號(hào)：學(xué) 號(hào)：甘肅民族師范學(xué)院年論文題目：激光的產(chǎn)生原理及其應(yīng)用系別：物理與水電工程系專業(yè)：物理學(xué)姓名：張金德學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：蘇成仁職稱：副教授日期：二一三年十二月十日激光的產(chǎn)生原理及其應(yīng)用摘要： 當(dāng)前激光技術(shù)發(fā)展的越來越迅速和成熟，在我們生活中的各個(gè)行業(yè)應(yīng)用的非 常廣泛。由于激光技術(shù)的先進(jìn)性，精確性，所以在當(dāng)前，在很多行業(yè)都得以應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。 本文通過對(duì)激光技術(shù)的學(xué)習(xí)，大概闡述了激光產(chǎn)生原理

2、，以及激光在各個(gè)方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞 ：激光 原理 躍遷 諧振腔 應(yīng)用 受激放大Abstract: The current?development of laser technology:?more and more rapidly?andmature,?widely?used in?various?industries?in our life.?Due to the advanced nature,?the accuracy the?laser?technology,?the?laser generated?about?principle,?and?application of laser?i

3、n the various aspects of the.Keywords: Laser Principle Transition Resonant cavityApplicationThe stimulated amplification一、激光的簡(jiǎn)介激光是在 1960年正式問世的。但是，激光的歷史卻已有 100多年。確切地說，遠(yuǎn)在 1893年，在波爾多一所中學(xué)任教的物理教師布盧什就已經(jīng)指出，兩面靠近和平行鏡子之 間反射的黃鈉光線隨著兩面鏡子之間距離的變化而變化。他雖然不能解釋這一點(diǎn)，但為 未來發(fā)明激光發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極為重要的現(xiàn)象。 1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念， 奠定了激光的理論基

4、礎(chǔ)。愛因斯坦提出了一套全新的技術(shù)理論光與物質(zhì)相互作用。 這一理論是說在組成物質(zhì)的原子中，有有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級(jí)上， 在高能級(jí)上的電子受到某種光子的激發(fā)，會(huì)從高能級(jí)跳到（躍遷）到低能級(jí)上，這時(shí)將 會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè) 強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大” ，簡(jiǎn)稱“激光”。激光，又稱鐳射，英文叫“ LASER”，是“ Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation ”的縮寫，意思是“受激發(fā)射的輻射光放大” 。激光的英文全名 已完全表達(dá)了制造激光的主要過程

5、。 1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激 發(fā)射”改稱“激光”。激光是 20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類又一重大發(fā)明，被稱 為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和 “奇異的激光”。它的亮度約為太陽(yáng)光的 100 億倍。二、激光的產(chǎn)生原理 激光要實(shí)現(xiàn)的是光子受激放大輻射。首先原子要產(chǎn)生光子，而且是從高能級(jí)向低 能級(jí)躍遷，同時(shí)把變化的能量以光子的形式釋放出來，這是激光形成的基礎(chǔ)。然后，要 對(duì)光子數(shù)密度進(jìn)行不斷放大，很快將極強(qiáng)的激光震蕩而輸出。但是，在一般情況下，自發(fā)輻射的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于受激輻射幾率，而且通過提高溫度 的辦法使得受激輻射超過自發(fā)輻射是不可能的，這就需要能夠

6、容易產(chǎn)生光子的激光工作 物質(zhì)，同時(shí)需要在熱平衡條件下對(duì)工作物質(zhì)增加一個(gè)激勵(lì)系統(tǒng)，打破熱平衡狀態(tài)下的玻 爾茲曼分布，形成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布，使得工作物質(zhì)對(duì)光子的吸收為主變?yōu)閷?duì)光子的放大超過吸收。為了實(shí)現(xiàn)放大輻射，就要提高光子簡(jiǎn)并度，因?yàn)楣ぷ魑镔|(zhì)不可能做得太長(zhǎng)，但是可 以增加通過工作物質(zhì)的次數(shù)使得光子數(shù)密度增大，這就需要有諧振腔，由兩面發(fā)射鏡組 成的反饋光學(xué)系統(tǒng)。同時(shí)，為了提高同一狀態(tài)內(nèi)的光子數(shù)，必須大大減少諧振腔內(nèi)的模式密度，這就需 要將諧振腔做成開放式諧振腔，使得偏離光軸方向傳播的光波模式損失掉，只保留少數(shù) 沿光軸方向傳播的模式。綜上，激光的產(chǎn)生過程是：激光工作物質(zhì)在泵浦源的激勵(lì)下被激活，即介質(zhì)處

7、于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的兩能級(jí) E2和 E1 之間，由自發(fā)輻射過程產(chǎn)生很微弱 E2 E1的特定頻率（ E2 E1 ）的光輻射。在自發(fā)輻射光子的感應(yīng)下， 在上下能級(jí) E2和 E1之 h間產(chǎn)生受激輻射。這種受激輻射光子與自發(fā)輻射光子的性質(zhì)（頻率、相位、偏振、傳播 方向）完全相同，很快由這些光輻射在介質(zhì)中產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，由于諧振腔的作用，這些 光子在腔內(nèi)多次往返經(jīng)過介質(zhì)，產(chǎn)生更多的同類光子密度，因此就可能使某類光子的受 激輻射成為介質(zhì)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的一種輻射，從而從諧振腔的部分透射鏡端輸出光能，這 就是激光。三、激光的特性1、高方向性 從激光器的部分反射鏡一端輸出的激光束基本上是沿著與鏡面垂

8、直的方向傳播的， 在單模和均勻介質(zhì)中，激光的發(fā)散角 已接近衍射極限角 m 。m 1.22（ 27）d1 而激光的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角半角 ： 1 12（28）2 e20在數(shù)值上已達(dá)到了以 0 為半徑的光束衍射極限角，實(shí)際上比同樣粗細(xì)的平行光束 的衍射極限角還小。2、高單色性放電管發(fā)射的光波不是單色的，而是有一定的頻率范圍，這頻率范圍內(nèi)的所有頻率，都可以在放電管所發(fā)射的光波中找到，但是，如果把放電管放在光學(xué)諧振腔內(nèi)，由于諧 振腔的干涉作用，在發(fā)射出來的光波中，頻率數(shù)目就不是原來那樣多了，只有那些滿足 諧振腔共振條件而又落在工作物質(zhì)的譜線寬度內(nèi)的頻率才能形成激光輸出，不滿足共振 條件的頻率，都在諧振腔內(nèi)干涉

9、相消了，而且諧振腔內(nèi)總存在工作物質(zhì)，它對(duì)出射光波的頻率寬度也起著限制的作用， 所以，激光的單色性比較好， 激光的單色性定義為 v /v0 或 / 0，其中 v0、 0 為激光譜線的中疏頻率和中心波長(zhǎng)， v和 為相應(yīng)的頻率寬度 和譜線寬度。單色性的兩個(gè)重要的因素：原子發(fā)光壽命和多普勒效應(yīng)。原子發(fā)光的壽命（即持續(xù) 發(fā)光時(shí)間） t 和所發(fā)光的頻率寬度 v 是成反比的，發(fā)光時(shí)間愈長(zhǎng)，則頻率寬度愈窄，頻 率寬度愈窄，光波的單色性就愈好。多普勒加寬越小，單色性越好。3、高亮度光源的單色輻射亮度定義為：EpS t S v29)表示單位面積的光源在其法線方向上的單位立體角范圍內(nèi)傳輸?shù)妮椛涔β?。影響亮度?三個(gè)

10、要素是：光束立體角 ，發(fā)光時(shí)間 t 和光譜范圍的寬窄。因?yàn)榧す獾陌l(fā)散角很小 （由高方向性可知） ，發(fā)光的時(shí)間很短，而且光譜寬度很窄（由高單色性可知） ，使能量 在時(shí)間、空間和頻率上高度集中，因此有高亮度。4、高相干性 因?yàn)楣鈱W(xué)諧振腔的存在，對(duì)輻射光進(jìn)行放大，同時(shí)對(duì)光進(jìn)行選擇限制，將相位相差不是 的 2 整數(shù)倍、方向不是近軸方向的光損失掉，因此激光的輸出光具有高相干性。四、激光技術(shù)的應(yīng)用1、激光技術(shù)在監(jiān)測(cè)方面的一些應(yīng)用（1）三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)繪的應(yīng)用 三維激光掃描儀用于邊坡三維形狀的獲取、加固方案設(shè)計(jì)、邊坡災(zāi)害對(duì)策及安全檢 測(cè)等，都具有獨(dú)到得方邊便性及先進(jìn)性。測(cè)量設(shè)站靈活方便，測(cè)量效率高，

11、獲取的數(shù)據(jù) 直接可以進(jìn)行處理以得到基礎(chǔ)信息和分析結(jié)果。在地形測(cè)繪中，三維激光掃描儀及后處 理軟件，只經(jīng)過簡(jiǎn)單的幾個(gè)步驟就可以輕松獲取高比例尺的地形圖。（2）激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 用于探測(cè)大氣氣溶膠和云的激光雷達(dá)技術(shù)主要是米散射探測(cè)技術(shù) , 使用這種技術(shù)的 激光雷達(dá)被稱為米散射激光雷達(dá)。 激光雷達(dá)是一種重要的大氣環(huán)境探測(cè)手段 , 由于其具有 時(shí)空分辨率高、探測(cè)靈敏度高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) ,因此, 利用激光雷達(dá)對(duì)大氣進(jìn)行監(jiān) 測(cè),收集、分析數(shù)據(jù) , 建立大氣環(huán)境預(yù)測(cè)理論模型 , 將為研究氣候變化和尋求治理環(huán)境的新 途徑提供科學(xué)的依據(jù)。2、激光技術(shù)檢測(cè)方面的應(yīng)用 由于激光技術(shù)的精確性，

12、在我們生活中的的一些檢測(cè)越來越多都用到激光檢測(cè)，既 方便又安全精確。如激光散斑技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)中的應(yīng)用，隨著人們生活水平的提高， 農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)越來越受到人們的重視，發(fā)展新穎的農(nóng)產(chǎn)品快速檢測(cè)技術(shù)是提高農(nóng)產(chǎn)品 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、增加農(nóng)民收入的有效措施。激光散斑技術(shù)靈敏度高，操作簡(jiǎn)單，作為一種 新穎的無損快速檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。3、激光技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用隨著激光制造技術(shù)的快速發(fā)展，激光技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 利用激光來焊接金屬材料有許多優(yōu)越性 : 方便快捷、焊縫小、焊接影響區(qū)域小，對(duì)原 材料性質(zhì)和形態(tài)的改變均很小 ; 易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控， 可以焊接形狀特殊的工件 ; 激光能量集中、 作

13、用時(shí)間短，可以焊接薄板、金屬絲等傳統(tǒng)焊接工藝難以加工的材料以及精密、微小、 排列密集、受熱敏感的材料等等。激光加工技術(shù)具有無接觸、不需要工模具、清潔、效率較高、便于實(shí)行數(shù)控、可進(jìn) 行特殊加工等優(yōu)點(diǎn) , 在切割、焊接、表面熔覆與合金化、表面熱處理、新材料制備等方面 得到了廣泛應(yīng)用。4、激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光醫(yī)學(xué)在臨床上的應(yīng)用主要分為三大部分 , 包括: 激光在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用 主要是通過激光與人體器官組織、細(xì)胞和生物分子的相互作用來研究激光的生物效應(yīng)。 激光診斷 ,是以激光作為信息載體 ,利用激光單色性好的特點(diǎn) ,對(duì)組織病理形態(tài)、 病理情 況下的功能及找出某些致病因素等方面進(jìn)行光譜分析。

14、 激光治療 , 是以激光作為能量載 體 , 利用激光對(duì)組織的生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行治療 , 多年來 , 激光技術(shù)已成為臨床治療的有效手 段,也成為發(fā)展醫(yī)學(xué)診斷的關(guān)鍵技術(shù)，包括：弱激光治療，高強(qiáng)度激光手術(shù)，激光動(dòng)力學(xué) 療法（光化學(xué)療法 ） ，激光診斷。5、激光技術(shù)在航天上的應(yīng)用 航天技術(shù)作為一門綜合性科學(xué)技術(shù)，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度的綜合集成。激光焊接技 術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，對(duì)航天技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用。如航天電源連接器和傳 感器的焊接、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的焊接、飛機(jī)客體的焊接等。隨著激光器研究的深入和大功率 激光器的產(chǎn)品化，激光焊接技術(shù)向大厚板、高適應(yīng)性、高效率和低成本方向發(fā)展，同時(shí)， 隨著新材料、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，激光焊接技術(shù)將逐步替代一些傳統(tǒng)的焊接工藝，在航天領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。五、激光技術(shù)的發(fā)展前景激光技術(shù)作為一種新的科學(xué)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。 快速、精準(zhǔn)是其最大的優(yōu)勢(shì)， 激光不僅能夠在精密儀器上打標(biāo)，還可以對(duì)地毯等快速的切割。激光機(jī)在現(xiàn)代的工業(yè)事 業(yè)上功不可沒。推進(jìn)工業(yè)的快速發(fā)展。激光走進(jìn)了人們的生活同時(shí)也加速了人類社會(huì)的 進(jìn)步。激光發(fā)展的步伐依舊很堅(jiān)定，它將為我們做出更大的貢獻(xiàn)并且需要我們更加深入 的研究它。當(dāng)前的激光技術(shù)還不是非常的成熟，還有很大的提升空間。我國(guó)當(dāng)前的激光