浅谈激光的基本原理与应用

浅谈激光的基本原理和应用

摘要：激光是20世纪最重要的发明之一，激光的出现为人类带来了地球上从未

见过的高质量光源，从而开拓了新的研究领域，开创了光应用的新途径，使许多过去不能实现的事情不断地成为现实。激光的基本原理，并简要介绍激光不同于普通光源的显著特性和激光在现代社会中的广泛应用。

关键词：激光 研究领域 应用

我们生活的这个世界充满了光，光是人类赖以生存的基本条件之一。人类最初懂得利用的光是自然界的太阳光。激光技术是一门既属于光学又属于电子学的光电子技术。激光技术最显著的特征是它对其他技术具有广泛的渗透性。激光技术的飞速发展必将在通信、信息处理、计量、工业加工、土木建筑、能源、生物、医疗等广阔领域带来革命性的变革。 1、激光的基本原理

物质是由一些同类微粒组成（即原子、分子、离子）。由于这些能级处于不同的能级上，而在这些能级中，用E1及E2分别表示两个能级量，E1所带的能量少，属低能级。E2所带的能量多。为高能级。由于粒子所含的能量不同，总的来说粒子在低能级的占多数，高能级的占少数。因此在低能级（E1）中的粒子数大于高能级中（E2）的粒子数。可用图1表示、低能级（E1E2）上粒子数的分布。

图1 粒子二能级分布图

1.1受激吸收

受激吸收低能级E1的粒子当吸收一定频率r21的外来光能时，粒子的能量就会增到E2＝E1＋hr21(h)表示普朗克常数），粒子就从低能级E1跃迁到高能级 E2上，这一过程叫做受激吸收，而外来光的能量被吸收，使光减弱。粒子进

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行跃迁不是自发的，要靠外来光子刺激而进行。粒子是否能吸收发来的光子，还得取决于两个能级（E1和E2）性质和趋近于粒子的光子数的多少有关。而与其它方向、位相等方面就无任何限制。 1.2 自发辐射过程

自发辐射处于高能级的粒子很不稳定，不可能长时间的停留在高能级上。在高能级E2中的粒子会迅速跃迁到低能级E1上，同时以光子的形式放出能量hr21＝E2－E1 （hr21为辐射光子频率）。这一过程不受到外界的作用时完全是自发的。所产生的光没有一定规律，相位和方向都不一致。不是单色光。因此与受辐射发出的光，其相位和方向完全相反。这种以光的形式辐射出来的，叫做自发辐射跃迁。可是在跃迁的过程中有一些不产生光辐射的跃迁，而它们主要是以热的运动形式消耗能量，即为无辐射跃迁。自发辐射的特点，即每一个粒子的跃迁都是自发的，孤立地进行，也就是相互独立，彼此无联系。产生的光子杂乱无章，无规律性。

1.基能级上的粒子 2.粒子被激发到E2能级上

1.处于高能级E2上的粒子 2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一干光子 1.3 受激辐射的特点

受激辐射它是与受激发吸收的相反过程处于高能级的粒子，在某种频率r21光子诱发下，从原来所在的能级上 E2，放出与外来光子完全相同光子，此时既产生了一个光子（受激发前后共有2个光子），使原来的能量减少△E＝hr21。把高能级上的粒子跃迁到低能级 E1上的这一过程称做受激辐射。

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受激辐射的特点本身不是自发跃迁，而是受外来光子的刺激产生。因而粒子释放出的光子与原来光子的频率、方向传播、相位及偏振等完全一样，无法区别出哪一个是原来的光子，哪一个是受激发后而产生的光子，受激辐射中由于光辐射的能量与光子数成正比例，因而在受激辐射以后，光辐射能量增大一倍。以波动观点看，设外来光子为一种波，受激辐射产生的光子为另一种波，由于两个波的相位、振动方向，传播的方向及频率相同。两个波合在一起能量就增大一倍，即通过受激辐射光波被放大。外来光子量越多，受激发的粒子数越多，产生的光子越大，能量越高。

1.处于高能级E2上的粒子。 2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一个光子。

受激辐射时光束放大

从上可知，受激辐射及吸收同时存在于光辐射与粒子体系，是在同一整体之中相互对立的两个方面，它们发生的可能性是同等的，这两个方面即受激辐射与吸收哪一个占主导地位，取决于粒子在两个能级上的分布激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的，也就是在基发态的粒子数尽可能多些,以实现受激辐射。 2、激光的产生和激光器 2.1产生激光的条件和过程

激光的产生，必须有激光器，而激光器必须具备三个主要的组成部分。 激活物质 即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也称做激光工作物质。诸如氖、氩、CO2、红宝石及钕玻璃等。必须具备有亚稳态能级性质的物质。

激励装置 能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，既称为激励装置。如

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各种激光器所具备的电源。

光学谐振腔能使光子在其中重复振荡并多次被放大的一种由硬质玻璃制成的谐振腔。产生激光的过程可归纳为：激励→激活介质（即工作物质）粒子数反转；被激励后的工作物质中偶然发出的自发辐射→其它粒子的受激辐射→光子放大→光子振荡及光子放大→激光产生。

基于以上所述，在激光产生的原则中缺一因素不可。从原理了解激光形成的过程，对具体使用好激光手术刀很重要。并可能在工作中能得心应手地掌握激光。能尽量大限度地维护激光器，及防止在使用时所产生的伤害。 2.2 激光器

激光器有很多种类型，但他的必要组成部分无外乎： 谐振腔、增益介质、泵浦源。形成激光的一个重要条件是，粒子数反转，就是导带的粒子数密度大于价带（半导体）或高能级的粒子数密度大于低能级（气体或固体），激光的现象就是在这样一种偏离了平衡态的稳态。

半导体激光器比起固体激光器和气体激光器，结构上还是有很大区别的。半导体激光器一般是三层或多层异质结结构，这样由于折射率的的内大外小自然构成了光约束，又由于异质结结构形成的量子井结构（最早的半导体激光器不是量子井结构的，随着MBE的半导体加工技术的应用，单井和多井结构得以实现），对载流子形成了约束，使受激发射大都发生在增益介质的带边，这样就大大提高了激光器的效率。 半导体激光器是电泵浦的，不同于气体激光器或固体激光器的光泵浦。

激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成，目前通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点，但也存在易受天气和环境影响等弱点。激光武器已有30多年的发展历史，其关键技术也已取得突破，美国、俄罗斯、法国、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验。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；高能激光武器主要采用化学激光器，按照现有的水平，

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今后5—10年内可望在地面和空中平台上部署使用，用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。 3． 激光的应用 3.1激光的发展史

激光的发展史应当追溯到1917年，爱因斯坦提出光的受激辐射的概念，预见到受激辐射放大器的诞生，也就是激光产生的可能性。1940年前后就有人在研究气体放电实验中，观察到粒子反转现象。在研究激光器的过程中，应把引进谐振腔的功劳归于肖洛。肖洛长期从事光谱学研究。谐振腔的结构，就是从法——珀干涉仪那里得到启示的。正如肖洛自己所说：“我开始考虑光谐振器时，从两面彼此相向镜面的法——珀干涉仪结构着手研究，是很自然的。”实际上，干涉仪就是一种谐振器。肖洛在贝尔电话实验室的七年中，积累了大量数据，于1958年提出了有关激光的设想。几乎同时，许多实验室开始研究激光器的可能材料和方法，用固体作为工作物质的激光器的研究工作始于1958年。如肖洛所述：“我完全彻底地受到灌输，使我相信，可以在气体中做的任何事情，在固体中同样可以做，且在固体中做得更好些。因此，我开始探索、寻找固体激光器的材料…...”的确，不到一年，在1959年9月召开的第一次国际量子电子会议上，肖洛提出了用红宝石作为激光的工作物质。不久，肖洛又具体地描述了激光器的结构：“固体微波激射器的结构较为简单，实质上，它有一棒（红宝石），它的一端可作全反射，另一端几乎全反射，侧面作光抽运。”遗撼的是，肖洛没有得到足够的光能量使粒子数反转，因而没获成功。可喜的是，科学家迈曼（T.H.Maiman）巧妙地利用氙灯作光抽运，从而获得粒子数反转。于是，1960年6月，在Rochester大学，召开了一个有关光的相干性的会议，会议上，迈曼成功地操作了一台激光器。7月份，迈曼用红宝石制成的激光器被公布于众。至此，世纪界上第一台激光器宣告诞生。激光具有单色性，相干性等一系列极好的特性。从诞生那天开始，人们就预言了它的美好前景。

这么多年来，人们制造了输出各种不同波长的激光器，甚至是可调激光器。大功率激光器的研制成功，又开拓了新的领域。1977年出现的自由电子激光器，机制则完全不同，它的工作物质是具有极高能量的自由电子，人们可以期望通过这种激光器，实现连续的大功率输出，而且覆盖频率范围可向长短两个方向发展。

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3.2 军事应用

为了满足军事应用的需要，主要发展了以下5项激光技术：①激光测距技术。它是在军事上最先得到实际应用的激光技术。20世纪60年代末，激光测距仪开始装备部队,现已研制生产出多种类型,大都采用钇铝石榴石激光器，测距精度为±5米左右。由于它能迅速准确地测出目标距离，广泛用于侦察测量和武器火控系统。②激光制导技术。激光制导武器精度高、结构比较简单、不易受电磁干扰，在精确制导武器中占有重要地位。70年代初，美国研制的激光制导航空炸弹在越南战场首次使用。80年代以来，激光制导导弹和激光制导炮弹的生产和装备数量也日渐增多。③激光通信技术。激光通信容量大、保密性好、抗电磁干扰能力强。光纤通信已成为通信系统的发展重点。机载、星载的激光通信系统和对潜艇的激光通信系统也在研究发展中。④强激光技术。用高功率激光器制成的战术激光武器，可使人眼致盲和使光电探测器失效。利用高能激光束可能摧毁飞机、导弹、卫星等军事目标。用于致盲、防空等的战术激光武器，已接近实用阶段。用于反卫星、反洲际弹道导弹的战略激光武器，尚处于探索阶段。⑤激光模拟训练技术。用激光模拟器材进行军事训练和作战演习，不消耗弹药，训练安全，效果逼真。现已研制生产了多种激光模拟训练系统，在各种武器的射击训练和作战演习中广泛应用。此外，激光核聚变研究取得了重要进展，激光分离同位素进入试生产阶段，激光引信、激光陀螺已得到实际应用。

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。 3.3 医学应用

自从第一台红宝石激光器问世以后，激光技术就很快渗透到医学领域。1963年，Goldman尝试了利用激光的生物学效应进行皮肤疾病的治疗。1983年，选择性光热效应理论的提出使激光在医学中的应用更加活跃起来，而脉冲染料激光器

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恰恰又是选择性光动力学原理的实践者。可以说染料激光器的优势在医学方面得到了最大范围的发挥，尤其是液体染料激光器已被广泛应用。

利用脉冲染料激光器的波长选择能力制成的组织光学治疗仪器使得医生们能够更精确地、更具有选择性地治疗组织病变。通过选择激光参数，如波长、脉冲宽度、能量等，医生们能够选择性地治疗发生病变的组织，而不波及周围正常的组织。染料激光器用于眼科治疗比用其他激光器结构简单、体积小、使用方便，其波长又连续可调，使其可能把激光输出波长调至适合于眼科治疗范围。同时它能在最有效的生物光谱灵敏区内对生物样品进行分析和观察，在临床诊断和治疗中发挥作用。染料激光器还广泛作为临床治疗深部恶性肿瘤的光动力治疗中的有效光源。例如，我国科学家经过25年随访观察发现，激光是治疗口腔颌面部各种静脉畸形与血管瘤的有效方法，脉冲染料激光又充分发挥了作用。

染料激光器在皮肤科和血管科也有较好的应用。科学家通过对595nm脉冲染料激光治疗皮肤血管性疾病临床分析得出结论，利用595nm可变脉冲染料激光疾病较安全、有效的方法。现在能够发射近红外荧光的染料激光器引起了科研工作者足够的重视，因为它们能够用于对生物体的DNA的排序和映像，其价值不可估量。目前的商用仪器大多数都是液体染料激光器，如：利用液体染料治疗皮肤血管性疾病，具有无痛苦、不损伤表皮、不留疤痕、疗效显著等优点。而固体染料激光器具有更容易变换波长以及潜在的低价格等优点，很有发展前景，必定会导致染料激光医疗仪器的重大突破。 3.4 其他方面的应用

在科研、开发方面，涉及面很广，包括作核聚变研究的高峰值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的超短脉冲激光器和可调谐激光器以及由同体激光器泵浦的染料可调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红卞石激光器、作高速摄影用的超短脉冲激光器、测人造地球11星轨迹等等。

在加工方面，主要用Nd：YAG激光器，平均功率从瓦级至千瓦级，用于打孔、切割、划片、焊接、阻值微调、打标和表面改性等。在德国，近几年在汽车工业中兴起激光热，特别是固体激光受到重视，因为它可用柔软的光纤传输能量，容易同机器人结合，实多维空间的切割和焊接。 4、总结展望

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激光现在几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研的方方面面：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。

随着激光器性能的改进，不仅在原有的四个应用领域的竞争力明显增强，而且开辟了一些新的重要应用领域。 首先是二极管泵浦的固体激光器进入了信息传输领域。随着有线电视（CATV）等活动图像信息传输的迅速增长，作为发射源的半导体激光器已满足不了大功率和低失真的要求，转而部分采用大功率（几十毫瓦至一百多毫瓦）低噪声的二极管泵浦的Nd：YAG激光器，其波长为1． 31微米，被传输的信号则用宽带妮酸狸调制器进行外调制加上去。 其次是二极管泵浦的固体激光器进入分色、制版等印刷行业，开始在这新领域中占有一席之地。再次是随着环境监测的重要性日益提高，基于固体激光器的测风雷达、测污雷达等传感器有明显的增长。高峰值功率固体激光器可用于产生调光激光。近年来这方面的工作也有重大进展。用固体激光激励产生的调光激光将逐渐广泛地应用于微细加工等领域。使得产业不断发展，并在工业加工等领域中得到了广泛地应用。

参考文献：

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http://210.40.132.153:8080/uploadfile/2010112394551842.doc

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[3]俞宽新.激光原理与激光技术，北京工业大学出版社，2008，8

[4]陈家壁.激光原理及应用，电子工业出版社，2004，8

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