激光及其应用

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、激光雷达、激光、„„，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。

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。

E2E1 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 E1E1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。

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E2 （Ⅲ）、受激吸收 入射光hE2E1 受 E1 受激辐射入射光hE2E1 E1 hEE

图2-3原子受激辐射

（Ⅲ）受激吸收：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。

E2E2 入射光hE2E1 E1 原子吸收入射光子并跃迁至E1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、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

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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n1g2g1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。

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

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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、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。 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

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（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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