1、 分類號： 學(xué) 號： 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： 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行業(yè)應(yīng)用的非常廣泛。由于激光技術(shù)的先進性，精確性，所以在當(dāng)前，在很多行業(yè)都得以應(yīng)用和實現(xiàn)。本文通過對激光技術(shù)的學(xué)習(xí)，大概闡述了激光產(chǎn)生原理，以及激光在各個方面的應(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 develo

2、pment of laser technology: more and more rapidly and mature, widely used in various industries in our life. Due to the advanced nature, the accuracy of laser technology, so in the current, in many industriesto applicatio

3、n and implementation. Based on the laser technology, the laser generated about principle, and application of laser in the various aspects of the.Keywords: Laser Principle Transition Resonant cavity Application The stimulated amplification一、激光的簡介激光是在1

4、960年正式問世的。但是，激光的歷史卻已有100多年。確切地說，遠在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，但為未來發(fā)明激光發(fā)現(xiàn)了一個極為重要的現(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）分布在不同的能級上，在高能級上的電子受到某種光子的激發(fā)，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個弱光激發(fā)

5、出一個強光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱“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了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。 激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導(dǎo)體之后，人類又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度約為太陽光的100億倍。二、激光的產(chǎn)生原理激光要實現(xiàn)的是光子受激放大輻射。首先原子要產(chǎn)

6、生光子，而且是從高能級向低能級躍遷，同時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，要對光子數(shù)密度進行不斷放大，很快將極強的激光震蕩而輸出。但是，在一般情況下，自發(fā)輻射的幾率遠遠大于受激輻射幾率，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，這就需要能夠容易產(chǎn)生光子的激光工作物質(zhì)，同時需要在熱平衡條件下對工作物質(zhì)增加一個激勵系統(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)對光子的吸收為主變?yōu)閷庾拥姆糯蟪^吸收。為了實現(xiàn)放大輻射，就要提高光子簡并度，因為工作物質(zhì)不可能做得太長，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，

7、由兩面發(fā)射鏡組成的反饋光學(xué)系統(tǒng)。同時，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)在泵浦源的激勵下被激活，即介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的兩能級和之間，由自發(fā)輻射過程產(chǎn)生很微弱的特定頻率（）的光輻射。在自發(fā)輻射光子的感應(yīng)下，在上下能級和之間產(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

8、光子密度，因此就可能使某類光子的受激輻射成為介質(zhì)中占絕對優(yōu)勢的一種輻射，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。 （27）而激光的遠場發(fā)散角半角 ： （28） 在數(shù)值上已達到了以為半徑的光束衍射極限角，實際上比同樣粗細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，

9、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)干涉相消了，而且諧振腔內(nèi)總存在工作物質(zhì)，它對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或，其中、為激光譜線的中疏頻率和中心波長，和為相應(yīng)的頻率寬度和譜線寬度。單色性的兩個重要的因素：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)光時間）和所發(fā)光的頻率寬度是成反比的，發(fā)光時間愈長，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： （29）表示單位面積的

10、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省Ｓ绊懥炼鹊娜齻€要素是：光束立體角，發(fā)光時間和光譜范圍的寬窄。因為激光的發(fā)散角很小（由高方向性可知），發(fā)光的時間很短，而且光譜寬度很窄（由高單色性可知），使能量在時間、空間和頻率上高度集中，因此有高亮度。4、高相干性因為光學(xué)諧振腔的存在，對輻射光進行放大，同時對光進行選擇限制，將相位相差不是的整數(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)測方面的一些應(yīng)用（1）三維激光掃描技術(shù)在地形測繪的應(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、邊坡災(zāi)害對策及安全檢測等，都具有獨到得方邊便性及

11、先進性。測量設(shè)站靈活方便，測量效率高，獲取的數(shù)據(jù)直接可以進行處理以得到基礎(chǔ)信息和分析結(jié)果。在地形測繪中，三維激光掃描儀及后處理軟件，只經(jīng)過簡單的幾個步驟就可以輕松獲取高比例尺的地形圖。（2）激光雷達技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用用于探測大氣氣溶膠和云的激光雷達技術(shù)主要是米散射探測技術(shù),使用這種技術(shù)的激光雷達被稱為米散射激光雷達。激光雷達是一種重要的大氣環(huán)境探測手段,由于其具有時空分辨率高、探測靈敏度高和抗干擾能力強等優(yōu)點,因此,利用激光雷達對大氣進行監(jiān)測,收集、分析數(shù)據(jù),建立大氣環(huán)境預(yù)測理論模型,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越來越多都用到激光檢測，既方便又安全精確。如激光散斑技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品檢測中的應(yīng)用，隨著人們生活水平的提高，農(nóng)產(chǎn)品檢測技術(shù)越來越受到人們的重視，發(fā)展新穎的農(nóng)產(chǎn)品快速檢測技術(shù)是提高農(nóng)產(chǎn)品市場競爭力、增加農(nóng)民收入的有效措施。激光散斑技術(shù)靈敏度高，操作簡單，作為一種新穎的無損快速檢測技術(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，對原材料性質(zhì)和形態(tài)的改變均很小;易于實現(xiàn)數(shù)控，可以焊接形狀特殊的工件;激光能量集中、作用時間短，可以焊接薄板、金屬

13、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、便于實行數(shù)控、可進行特殊加工等優(yōu)點,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,對組織病理形態(tài)、病理情況下的功能及找出某些致病因素等方面進行光譜分析。激光治療,是以激光作為能量載體,利用激光對組織的生物學(xué)效

14、應(yīng)進行治療,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，高強度激光手術(shù)，激光動力學(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)作為一項先進制造技術(shù)，對航天技術(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)動機的焊接、飛機客體的焊接等。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，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、精準是其最大的優(yōu)勢，激光不僅能夠在精密儀器上打標，還可以對地毯等快速的切割。激光機在現(xiàn)代的工業(yè)事業(yè)上功不可沒。推進工業(yè)的快速發(fā)展。激光走進了人們的生活同時也加速了人類社會的進步。激光發(fā)展的步伐依舊很堅定，它將為我們做出更大的貢獻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