激光原理與應用目錄0激光簡介1激光原理2激光性質3激光應用0激光簡介1.激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又非常非常重大發明。

2.激光定義：由受激發射的光放大產生的輻射，表現為一些列具有頻率近似相等、位相近似一樣的相干光。3.激光理論在1916年由愛因斯坦提出，在1960年被人類首次制造。1.激光原理1.1物質與光相互作用受激吸收、自發輻射、受激輻射。受激吸收：處于較低能級的粒子受到外界的激發，吸收能量，躍遷到與此能量相對應的較高能級。自發輻射：處于高能級的電子以一定的概率自發地（沒有吸收外部能量）從高能級向低能級躍遷，并放出能量與兩能級能量差相等的光子。1.激光原理受激輻射：頻率為=（E2-E1）/h的光子入射工作物質時，會使處于E2能級的粒子迅速地從能級E2躍遷到能級E1，并放出一個光子。1.激光原理眾多自發地從E2躍遷到E1上的粒子輻射發出的光子，在相位、偏振態、傳播方向上不就有一致，是非相干光。因外來光子激發而從E2躍遷到E1上的粒子，將輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子，外來光與輻射光時相干光。1.激光原理1.2激光產生如果大量原子處在高能級E2上，當有一個頻率=（E2-E1）/h的光子入射，激勵E2上的原子產生受激輻射，得到兩個特征完全相同的光子，這兩個光子再激勵E2能級上原子，又使其產生受激輻射，可得到四個特征相同的光子，這樣就實現了原來的光信號的放大。這種在受激輻射過程中產生并被放大的光就是激光。1.激光原理從上面的討論可以知道，只要有合適的入射光（能量為兩個能級差），經受激輻射后就能產生具有一定強度的激光。但新的問題是：入射光從何而來？解決之道——自發輻射。 自發輻射會產生微弱的、頻率為的熒光，可以作為受激輻射的入射光。要產生我們需要的高強度、方向性好的激光。但還有兩個問題要解決：要獲得最大的放大效果，需要近似無窮長度的增益介質，然而這在工程上不可實現的，如何盡可能的增加增益物質的長度？自發輻射產生的光子的前進方向是隨機的，如果直接對其進行受激輻射放大，得到的激光在方向上也是隨機的，如何選擇特定方向的光來進行放大得到方向性很好的激光？1.激光原理在激光的實際應用中，利用光學諧振腔來解決上述兩個問題。結構最簡單的光學諧振腔是在工作物質兩端放置兩塊平行的平面鏡而構成的平行平面腔，通過讓需要放大的光在兩塊平面鏡之間反射，實現了近似于無限長的增益介質；通過限制平面鏡的尺度，使得自發輻射產生的微弱光在諧振腔內反射的過程中，只有靠近平面鏡中心而且方向垂直于平面鏡的那部分光才能在其中多次反射，得到足夠多次的放大而形成激光，其它方向的光則迅速溢出諧振腔外，通過這種方式實現了對激光方向性的選擇。1.激光原理從愛因斯坦1917提出受激輻射，到激光器1960年問世，相隔整整43年之久？主要原因是，普通光源中粒子產生受激輻射的概率極小，和吸收躍遷的存在。43年1.激光原理當頻率一定的光射入工作物質時，受激輻射和受激吸收兩過程同時存在，受激輻射使光子數增加，受激吸收卻使光子數減小。物質處于熱平衡態時，粒子在各能級上的分布，遵循平衡態下粒子的統計分布律。按統計分布規律，處在較低能級E1的粒子數必大于處在較高能級E2的粒子數。這樣光穿過工作物質時，光的能量只會減弱不會加強。受激吸收受激輻射1.激光原理1.3粒子數反轉要實現光的放大，必須使受激輻射占優勢，也就要使處在高能級E2的粒子數大于處在低能級E1的粒子數。這種分布正好與平衡態時的粒子分布相反，稱為“粒子數反轉分布”，簡稱“粒子數反轉”。1958年，美國兩位微波領域的科學家湯斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw)打破了40年激光研究的沉寂局面，發表了著名論文《紅外與光學激射器》，指出了以受激輻射為主的發光的可能性，以及要實現受激發光度必要條件條件是實現“粒子數反轉”。理論研究表明，任何工作物質，在適當的激勵條件下，可在粒子體系的特定高低能級間實現粒子數反轉。利用泵浦方式實現粒子數反轉。2激光的特點方向性好激光朝一個方向射出，傳播過程中光束的發散度極小，大約只有0.001弧度/千米，光速接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個月球。2激光的特點單色性好光的顏色有光的波長決定，激光是受激輻射光，輻射光的頻率和激發光頻率相同。激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，因此光的顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布范圍可以窄到2×10^-9納米。2激光的特點亮度高激光亮度極高的主要原因是定向發光，大量光子集中在一個極小的空間范圍內射出，能量密度極高。

2激光的特點

在激光發明前，人工光源中高壓脈沖疝燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石激光器的亮度，超過氙燈的幾百億倍。紅寶石激光器發射的光束在月球上產生的照度約為0.02勒克斯（光照度的單位），顏色鮮紅，激光光斑明顯可見。

若用功率最強的探照燈照射月球，產生的照度只有約一萬億分之一勒克斯，人眼根本無法察覺。疝燈2激光的特點干涉性好激光可以步調一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起，一臺巨脈沖紅寶石激光器的亮度比太陽表面的亮度高若干倍。

但是它的能量密度很大因為它的作用范圍很小，一般只有一個點，所以短時間里聚集起大量的能量。

3激光的應用3.1醫學中的應用醫學是應用激光技術最早、最廣泛和最活躍的一門邊緣學科。在1960年世界上第一臺紅寶石激光器研制成功后的第二年激光光視網膜凝固機就在眼病治療獲得應用。目前激光治療在臨床可分為：眼科激光治療、外科激光手術、用于美容目的的皮膚病激光治療、口腔激光和激光理療等等。3.1醫學中的應用激光在醫學中應用原理：激光能在生物組織中傳播及與目標相互作用能表現出的一些光學特性。3.1.1激光在心血管中的應用利用激光與心肌組織作用產生的熱效應，用高強度激光束在缺血的心肌區域內打數個微孔，通過這些微孔把心腔中的血液引向缺血的心肌區域，改善心肌血液微循環以達到治療的目的。目前，在荷蘭激光技術經成功地應用于血管的搭橋術。3.1醫學中的應用

3.1.2激光在眼科中的應用在近視治療中用的激光是一種人眼看不見的波長為193nm的紫外線光束，其光子能量大，波長極短，對組織的穿透力極弱，不會穿入眼內，僅被組織表面吸收，對周圍組織無損或損傷極微。利用激光的熱效應，把要去除的部分組織予以精確氣化，以此改變角膜前表面的形態，調整角膜的屈光力，使外界光線能夠準確地在眼底會聚成象，達到矯正近視的目的。到目前為止全球已有上千名萬患者通過激光激光近視治療，摘掉了眼睛。3.1醫學中的應用3.1.3中醫治療學中的應用據激光對生物組織的弱刺激作用和生物組織的超微發光特性，可利用激光針灸、此外用激光向血管內照射來診斷和治療疾病，這種診斷和治療方法已經取得了許多的成果。近年來，在激光針灸的計算機輔助診斷方面，已經研究出了相關的硬件和軟件系統。3.2激光通訊激光通信，利用激光承載信號，激光在大氣空間傳輸的一種通信方式。電信號光敏器件光調制器光信號激光束光學天線發射光信號接收天線光信號聚焦光檢測器大氣電信號3.2激光通訊激光通信優點：信息容量大：頻率高，更多的可利用頻帶。保密性強：定向性，光束纖細，短時間內傳輸大量數據，減

少持續通信時間，竊聽不易。設備輕便：發散角很小能量集中,落在接收天線上的功率密度高,

大大降低發射機發射功率，非常利用之間衛星通信。

3.2激光通訊系統重量輕：發射機功耗低，供電系統重量輕；光束集中，散射角小，導致發射和接收望遠鏡的口徑都很小，擺脫了微波系統巨大的碟形天線，重量和體積減輕很多非常有利于衛星通信。但是激光在大氣中傳輸時受雨、霧、雪、霜等影響，衰耗要增大，故一般用于邊防、海島、跨越江河等近距離通信，以及大氣層外的衛星間通信和深空通信微波天線激光天線3.3激光技術在工業上的應用

3.3.1激光快速成形液態光敏樹脂吸收紫外波段的激光能量后將發生凝固，變化成固體材料。將待制造的模型程序輸入計算機。激光束由計算機控制光路系統，在模型材料上掃描刻劃，激光束所到之處，原先是液態的材料凝固起來，形成模型。激光成型速度快，模型精度高。該技術已在航空航天、電子、汽車等工業領域得到廣泛應用。3.3激光技術在工業上的應用3.3.2激光焊接激光束照射在材料上，會把它加熱至融熔，使對接在一起的組件接合在一起，即是焊接。激光焊接優點：1.用激光焊接不需要任何焊料，焊接組件不會受到受污染；2.激光束可被光學系統聚成直徑很細的光束，可看著非常精細的焊槍，可用來進行精密；3.激光焊接與組件不直接接觸，可以對遠離激光器的組件焊接，也可以把放置在真空室內的組件焊接起來。所以，激光焊接技術在微電子工業中尤其受歡迎。3.3激光技術在工業上的應用3.3.3激光切割原理：激光束照射到鋼板表面時釋放的能量使不銹鋼熔化并蒸發，激光源功率為500～2500瓦，激光通過透鏡和反射鏡，使光束聚集在很小的區域。高度集中的能量能夠進行迅速局部加熱，使不銹鋼蒸發。激光切割技術是一門光、機、電集合的技術。激光切割設備通常采用計算機化數字控制技術（CNC）裝置，采用該裝置后，就可以利用電話線從計算機輔助設計（CAD）工作站來接受切割數據。3.3激光技術在工業上的應用切割質量好：表現在切口寬度窄（一般為0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1--0.4mm，輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好，切縫一般不需要再加工即可焊接。切割速度快：表現在，例如采用2KW激光，8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區小,變形極小。清潔、安全、無污染、噪音小3.4激光冷卻溫度是構成物體的粒子運動劇烈程度的表征，粒子的運動速度越大，溫度越高；反之，運動速度越小則溫度越低。激光冷卻是（lasercooling）利用激光和原子的相互作用減速原子運動以獲得超低溫原子的高新技術。冷卻原理：原子在頻率略低于原子躍遷能級差且相向傳播的一對激光束中運動時，由于多普勒效應，原子傾向于吸收與原子運動方向相反的光子，而對與其相同方向行進的光子吸收幾率較小；吸收后的光子將各向同性地自發輻射。平均地看來，兩束激光的凈作用是產生一個與原子運動方向相反的阻尼力，從而使原子的運動減緩，實現降溫。3.4激光冷卻1985年，美籍華裔物理學家朱棣文和他的同事首次實現了激光冷卻原子的實驗，并得到了極低溫度——24μK（絕對0度是0K）的鈉原子氣體。3.4激光武器激光武器已有30多年的發展歷史，目前低能激光武器已經投入使用，主要用于干擾和致盲較近距離的光電傳感器，以及攻擊人眼和一些增強型觀測設備。激光武器的特點：激光速度30萬公里每秒，現在的武器都沒有這樣高的速度。激光一旦瞄準，幾乎不要什么時間就立刻擊中目標。另外，它可以在極小的面積上、在極短的時間里集中超過核武器100萬倍的能量，還能很靈活地改變方向，沒有任何放射性污染。激光搶艦載激光武器機載激光武器3.5激光在農業上的應用1.用激光照射玉米種子能增產俄羅斯科學院科學家利用紅色激光照射玉米種子，使每株玉米的果穗比未照射激光的重100多克，提高了玉米的產量。由于激光的顏色、照射時間、強度和方向都非常容易調整控制，因此，這是一種很有發展前途的提高農作物產量的育種方法。2.

用激光照射種子可防作物病蟲害哈薩克斯坦的農業專家研究出：在播種前1～2個星期，不用化學藥劑，而是利用激光對作物種子進行照射，使種子消毒和滅菌，從而達到預防病蟲害的目的。這項技術在實踐中取得了良好的效果。3.5激光在農業上的應用3.給素菜剝皮一般蔬菜或水果的皮是干燥的，而里面的果肉是潮濕的，激光光線把蔬菜的干燥的外皮給燒掉。目前，馬鈴薯激光剝皮法已申請了專利，并已經成功地應用在了馬鈴薯的除皮流水線上。4.給植物施光根據農作物的不同的生長期，給農作物照射不同顏色和不同劑量的光。用激光照射部分農作物的種子，可以提高其發芽率和出苗率。在農作物的苗期或生長期，使用適當劑量的激光照射植株，可以大大促進它的生長發育。這個現象被稱為激光的生物刺激反應。3.5激光在農業上的應用日本北海道農業研究所采用激光和水培法相結合栽種水稻能獲得好收成。采用大功率半導體激光器在缽內育苗，8天后移到營養液中栽培生長，同時在生長期間伴以紅色波長的激光和藍色的熒光燈燈光照射水稻，使其高效率地進行光合作用，56～68天內全部成熟。按照這種栽培法的生長期計算，1年至少可收獲5次。

1.ShenJianxin，ZhouRurong，ZongRenhe.Exeimerlaser

ceornealtissueinteractionsandapplieations[j].ChinesejournalOfQuanturnElectronics（量子