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激光技术论文


激光原理技术及应用论文

学院:机电学院 班级:测控 0901 学号:090030118 姓名:王龙

激 光 原 理 与 应 用 技 术
摘要:本文简要的介绍了一下激光的产生和发展史,简述了产生激光的基 本原理和激光器的组成,并在此基础上从工业、医疗、信息、军事等几个主要领 域简单介绍了激光技术的重要应用及其发展前景。 关键词

:激光; 辐射; 光学谐振腔; 激光器

引言:
自 1960 年美国梅曼先生首先研制成功红宝石激光器以来,激光作为一门新 颖科学技术发展极快,经过 50 多年的发展,激光的应用已经遍及科技、经济、 军事和社会发展的许多领域, 远远超出了人们原有的预想: 激光针灸、 激光裁剪、 激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷 达、激光枪、??,在不久的将来,激光肯定会有更广泛的应用。

一、激光特性简介
激光的最初中文名叫做“镭射”、 “莱塞”,是它的英文名称 LASER 的音译, 是取自英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的各 单词的头一个字母组成的缩写词,意思是“受激辐射的光放大”, 受激辐射是 基于爱因斯坦的理论: 在组成物质的原子中,有不同数量的电子分布在不同的能 级上,在高能级上的电子受到某种光子的激发,会从高能级跃迁到低能级上,这 时将会辐射出与激发它的光相同性质的光,而且在某种状态下,能出现一个弱光 激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”,简称激光。激光主要 有四大特性:激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。[1]

二、激光原理
2.1、激光产生的物质基础 光与物质的共振相互作用, 特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器 的物理基础。爱因斯坦从光量子概念出发,重新推导了黑体辐射的普朗克公式, 认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、 受激辐射跃迁和受 激吸收跃迁三种过程。为了简化问题,我们只考虑原子的两个能级 E1 和 E2 ,处 于两个能级的原子数密度分别为 n1 和 n2 , 如图 2-1 所示。 构成黑体物质原子中的 辐射场能量密度为 ? ,并有 E2 ? E1 ? h? 。

1

E2

E1

图 2-1 二能级原子能级图

(Ⅰ) 、自发辐射 处于高能级 E2 的一个原子自发地向低能级 E1 跃迁,并发射一个能量为 h? 的 光子,这种过程称为自发跃迁过程,如图 2-2 所示。

E2

E2

自 发 辐 射 光

h? ? E2 ? E1
E1 E1

图 2-2 原子自发辐射

(Ⅱ) 、受激辐射 处于高能级 E2 的原子在满足? ? ( E2 ? E1 ) h 的辐射场作用下,跃迁至低能级
E1 并辐射出一个能量为 h? 且与入射光子全同光子,如图 2-3 所示。受激辐射跃

迁发出的光波称为受激辐射。
入射光 h? ? E2 ? E1

E2

图 2-3 原子受激辐射 (Ⅲ) 、受激吸收
E1

受激辐射 h? ? E2 ? E1

入射光 h? ? E2 ? E1
E1

受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级 E1 的一个原子,在频率为? 的 辐射场作用下吸收一个能量为 h? 的光子,并跃迁至高能级 E2 ,这种过程称为受 激吸收,如图 2-4 所示。

2

E2

E2

原子吸收入射 入射光 h? ? E2 ? E1
E1 E1

光子并跃迁至 高能级

图 2-4 原子受激吸收

受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。 自发辐射是不受外界辐射场影 响的自发过程,因此,大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的,因而是不 相干的; 受激辐射是在外界辐射场控制下的发光过程,受激辐射光子与入射光子 属于同一光子态, 特别是大量粒子在同一辐射场激励下产生的受激辐射处于同一 光场模式或同一光子态,因而受激辐射是相干的[2]。 2.2、激光产生的基本原理和方法 2.2.1 光学谐振腔及其反馈作用 由受激辐射和自发辐射相干性可知,相干辐射的光子简并度很大。激光器就 是采用各种技术措施减少腔内光场模式数、 使介质的受激辐射恒大于受激吸收等 来提高光子简并度,从而达到产生激光的目的。 光腔的反馈作用——光放大器在许多大功率装置中广泛地用来把弱的激光 束逐级放大, 但在光放大的同时通常还存在着光的损耗,根据研究光强达到稳定 的极限值只与放大器本身的参数有关,而与初始光强无关这样,沿轴向传播的光 波模在两反射镜间往返传播, 就等于增加放大器长度。这种作用称为光学谐振腔 [2] 的反馈作用。 2.2.2 产生激光的基本条件及激光器的组成部分 产生激光的基本条件是:①能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转 分布状态的增益介质;②要使受激发射光强超过受激吸收,必须实现粒子数反转
n2 ? n1 g2 ? 0 ;③要使受激发射光强超过自发发射,必须提高光子简并度 n 。 g1

激光器的组成部分及其作用:一个激光器应包含泵浦源、光放大器和光学谐 振腔三部分。其作用分别是使激光物质成为激活物质、对弱光信号进行放大、模 式选择和提供轴向光波模的反馈。

三、激光技术的应用
激光的应用,按照激光探头是否与激光作用的物质接触,分为接触式和非接
3

触式两种工作模式。激光应用的领域,主要有工业、医疗、商业、科研、信息和 军事六个领域。下面主要从激光在工业、医疗、信息和军事四个方面来简单介绍 一下激光技术的应用: 3.1 激光技术在工业中的应用 工业应用中, 主要有材料加工和测量控制。激光加工技术是利用激光束与物 质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、 焊接、 表面处理、 打孔、 微加工以及做为光源, 识别物体等的一门技术。目前使用的激光器多以 YAG 激光 器、CO2 激光器为主,也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光 器。 激光在测距方面的应用。 这是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特 点,以实现高精度的计量和检测,如测量长度、距离、速度、角度等等。现在广 泛使用的手持式和便携式测距仪,作用距离为数百米至数十千米,测量精度为五 米左右。 激光测绘。目前,在工程建筑与物体三维测量的领域,三维激光测绘技术已 得到广泛应用,其具有高速率、高精度的独特优势。从激光技术在材料加工和测 量等方面的重要应用来看,激光在未来的工业中必将发挥更重要的作用。 3.2 激光在医疗方面的应用 激光在医学上的应用分为两大类:激光诊断与激光治疗,前者是以激光作为 信息载体,后者则以激光作为能量载体。多年来,激光技术已成为临床治疗的有 效手段,也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题,为医学 的发展做出了贡献。 当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面:光动力疗法治癌;激光 治疗心血管疾病;准分子激光角膜成形术;激光美容术;激光纤维内窥镜手术; 激光腹腔镜手术;激光胸腔镜手术;激光关节镜手术;激光碎石术;激光外科手 术;激光在吻合术上的应用;激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用;弱激光 疗法等。 3.3 激光技术在信息方面的应用 激光技术在信息领域的应用主要为激光通信方面。 激光通信。激光是频率单一的电磁波,频率高达几亿兆赫,用它作载波传送 话音信号时,由于每路电话所占的频带宽度为 4000 赫兹,故可容纳上百亿路电 话同时通话。 空间激光通信。 空间激光通信技术能在通信速率和通信带宽上有效地克服射 频通信的技术瓶颈,近年来运用激光技术的空间激光通信传输速率越来越高。 光纤通信。 光纤通信全称为光导纤维通信, 光导纤维通信就是利用光导纤维 传输信号, 以实现信息传递的一种通信方式。 光纤通信能实现低损耗、 低色散、 [9] 高速率传输,且具有体积小,重量轻,价格便宜等优点 。 3.4 激光技术在军事上的应用 激光在军事上的应用主要有激光制导、激光侦查和激光武器等方面。
4

激光制导。 这是继雷达、 红外、 电视制导之后发展起来的一种精确制导技术。 已经研制成功的激光制导武器有空地导弹、地空导弹、反坦克导弹、炮弹等。 激光侦察。它具有反应灵敏,分辨率高,适于夜间使用等特点。用它可以监 视敌方兵力的调动和大型兵器的部署,并可完成对交通要道、机场、仓库及其他 军事设施的监视。 激光武器。用激光作为武器的设想主要是基于激光的高热效应。激光以光速 (每秒钟 30 万千米)直线射出,没有弯曲的弹道,不需要提前量 。另外激光武 器没有后坐力,可以迅速转移打击目标。 未来的军事领域,金属弹头和炸药将慢慢退出历史舞台,取而代之的必是激 光武器和电子武器, 激光和电子技术的发达与否将成为衡量一个国家军事力量的 标准。

结束语:
展望未来, 激光在科学发展和技术应用方面都还有巨大的机遇、挑战和创新 的空间。 这就需要我们在激光科学和技术应用领域继续努力,使激光为人类的文 明进步做出更大贡献。 参考文献 田兆斌,夏道莲.《光镊及其在生物医学中的应用》.国外激光,1993,12:1~4 蓝信钜 等.《激光技术》 (第二版) (科学出版社) 王乐 《光机电信息》 2002 第 6 期 杨浚明,张明德,孙小涵编编著.《光纤通信设计》.天津科学技术出版社,1995

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