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激光原理与应用技术简介

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；原理；应用；

0.引言

激光是上世纪最大的、也是最实用的发明，是与热核技术、半导体、电子计算机和航天技术相媲美的一个举世瞩目的重大科技成就。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。

1.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LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation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]

亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它比拟。但是，激光的总能量并不一定很大，由于激光能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。

方向性好——普通光源向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。

单色性好——普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。而某种激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。由于激光的单色性好，为精密仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。

相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。激光的这一特性使全息照相成为现实。

激光的以上四个特性使激光技术开始快速应用与科技、军事和社会发展的许多领域，激光技术彰显出其强大的生命力。

2.激光原理

2.1激光产生的物质基础

光量子学说认为，光是一种以光速c运动的光子流，光子和其他基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性和波动属性之间的关系如下：（1）光子能量E与光波频率对应E=h；（2）光子具有运动质量m，并可表示为，光子的静止质量为零；（3）光子的动量P与单色平面波的波矢对应P=；（4）光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向；（5）光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。

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和，处于两个能级的原子数密度分别为和，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。

可改写为，由此式可以看出，如果能够创造这样一种情况：使得腔内某一特定模式的很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某一特定模式内，而不是平均分配在所有模式中。由可知，在同一热力学温度下，频率越小（波长越长）的光，光子简并度越大，相干性越好。要是光子简并度高进而相干性越好，需要波长尽量长，温度尽量高。受激辐射和自发辐射分别产生相干和非相干光子，若能设法使某一模式的大大增加，而其他的则大大减少，则此特定模式的光子简并度就会大大增加。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。

光腔选模作用——为了减少腔内光场模式数，将一个充满物质原子（或分子）的柱体腔（黑体）去掉侧壁，只保留两个端面壁，形成开腔。如果端面壁对光的反射系数很高，则沿垂直端面的腔轴方向传播的光在腔内多次反射不逸出腔外，而所有其他方向的光则很容易逸出腔外。这相当于在腔内能够存在的光场模式只有少数几个，达到了光波模式的选择作用。

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