激光技术论文

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；辐射；光学谐振腔；激光技术TheIntroductionofLaserPrincipleandApplicationTechnologyAbstract：Thisarticlebrieflyintroducesabouttheemergenceanddevelopmentoflaserhistory,abriefdescriptionofthebasicprinciplesofproducingthelaserandlasercomponents,andonthisbasisfromtheindustrial,medical,information,military,andseveralotherkeyareasofabriefintroductionoftheimportantapplicationoflasertechnologyanditsdevelopmentprospects.KeyWords：Laser；Radiation；OpticalResonator；LaserTechnology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。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。二、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22Ehmcc，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1E和2E，处于两个能级的原子数密度分别为1n和2n，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21EEh。（Ⅰ）、自发辐射处于高能级2E的一个原子自发地向低能级1E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。（Ⅱ）、受激辐射处于高能级2E的原子在满足21()EEh的辐射场作用下，跃迁至低能级1E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2E1E1E自发辐射光21hEE2E图2-2原子自发辐射1E2E图2-1二能级原子能级图迁发出的光波称为受激辐射。（Ⅲ）、受激吸收受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级1E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2E，这种过程称为受激吸收，如图2-4所示。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光学谐振腔及其选模和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。根据黑体2E2E1E入射光21hEE1E原子吸收入射光子并跃迁至高能级图2-4原子受激吸收图2-3原子受激辐射受激辐射21hEE2E1E入射光21hEE1E入射光21hEE辐射源的光子简并度关系式：11BhkTEnhe，在室温T=300K的情况下，对于=30cm的微波辐射，310n；对于60m的远红外辐射，1n；对于0.6m的可见光辐射，3510n。可见，普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。应用黑体辐射的普朗克公式和爱因斯坦系数的基本关系式11BhkTEnhe可改写为21213212138BWnhAAc，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21213212138BWnhAAc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n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。特别是，不管初始光强多么弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强稳定极限值，而实际上，既不需要给激活物质输入一个弱光信号，也不需要真正把激活物质的长度无限增加，而只要在具有一定长度的光放大器两端放置前述的光学谐振腔。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]2.2.2光的受激辐射放大条件实现光放大的两个条件：①激励能源——把介质中的粒子不断地由低能级抽运到高能级去；②增益介质——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。在热平衡状态，腔内物质原子数按能级分布应服从波尔兹曼分布：212211BEEkTngeng，（g为能级简并度），可知，因21EE，所以21nn，即在热平衡状态下，高能级粒子集居数恒小于低能级集居数，当频率21()/EEh的光通过物质时，受激吸收光子数112nW恒大于受激辐射光子数221nW。因此，处于热平衡状态下的物质只能吸收光子。但是，在一定的条件下物质的光吸收可以转化为光放大。这个条件就是21nn，称其为粒子数反转。一般来说，当物质处于热平衡状态时，粒子数反转时不可能的，只有当外界向物质提供能量，从而使物质处于非平衡状态时，才可能实现粒子数反转。实现反转的手段有：激励或泵浦或抽运，由外界能源向粒子系统输入能量，使大量粒子跃迁到高能级。处于粒子数反转状态的物质称为激活物质，一段激活物质就是一个光放大器。光放大作用通常用增益系数G来描述，设在光传播方向上z处的光强为I（z），则()1()()dIzGzdzIz，积分得00()GzIzIe，这就是线性增益情况如图2-5所示。实际上光强的增加是由于高能级粒子向低能级受激跃迁的结果，或者说光放大是以单位体积内粒子反转数差值21()()nznz的减小为代价的。而且，光强越大，21()()nznz减少的越多，所以，21()()nznz随I的增加而减少，增益系数也随I增加而减少，这一现象称为增益饱和效应。[2]2.2.3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22110gnng（方法是利用外界激励能源把大量粒子激励到高能级。）；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（方法：利用光学谐振腔造成强辐射场，以提高腔内光场的相干性。）。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、激光技术的应用世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术I（z）0I0z图2-5增益物质的光放大领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。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。它的应用范围一般可分为激光加工系统和激光加工工艺。激光加工系统包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。激光加工工艺包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划