激光的原理及应用
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摘要：激当前激光技术发展的越来越迅速和成熟，在我们生活中的各个行业应用的非常广泛。由于激光技术的先进性，精确性，所以在当前，在很多行业都得以应用和实现。本文通过对激光技术的学习，大概阐述了激光产生原理，以及激光在各个方面的应用 。
关键词：激光 原理 跃迁 谐振腔 应用
一.激光简介
激光是在 1960 年正式问世的。但是，激光的历史却已有 100 多年。确切地说，远在 1893 年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917 年爱因斯坦提出 “ 受激辐射 ” 的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将 “光受激发射”改称“激光”。
二、激光产生原理
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E2E1h。
（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。
（Ⅱ）、受激辐射
处于高能级E2的原子在满足(E2E1)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。
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。
受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。自发辐射是不相干的；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。普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。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。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。
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n2n1g2g10（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
激光自其诞生之日来，已对人类生活产生了巨大影响。其应用已渗入到人类生活的每个方面。比如监测, 检测,制造业,医学,航天等等。由于激光应用的广泛性，这里我只能从广面上稍微介绍下其应用。
3.1 激光技术在监测方面的一些应用
3.1.1三维激光扫描技术在地形测绘的应用
三维激光扫描仪用于边坡三维形状的获取、加固方案设计、边坡灾害对策及安全检测等，都具有独到得方边便性及先进性。测量设站灵活方便，测量效率高，获取的数据直接可以进行处理以得到基础信息和分析结果。在地形测绘中，三维激光扫描仪及后处理软件，只经
过简单的几个步骤就可以轻松获取高比例尺的地形图。
3.1.2激光雷达技术在大气环境监测中的应用
用于探测大气气溶胶和云的激光雷达技术主要是米散射探测技术,使用这种技术的激光雷达被称为米散射激光雷达。激光雷达是一种重要的大气环境探测手段,由于其具有时空分辨率高、探测灵敏度高和抗干扰能力强等优点,因此,利用激光雷达对大气进行监测,收集、分析数据,建立大气环境预测理论模型,将为研究气候变化和寻求治理环境的新途径提供科学的依据。
3.2激光技术检测方面的应用
由于激光技术的精确性，在我们生活中的的一些检测越来越多都用到激光检测，既方便又安全精确。如激光散斑技术在农产品检测中的应用，随着人们生活水平的提高，农产品检测技术越来越受到人们的重视，发展新颖的农产品快速检测技术是提高农产品市场竞争力、增加农民收入的有效措施。激光散斑技术灵敏度高，操作简单，作为一种新颖的无损快速检测技术已经受到越来越多的关注。
3.3激光技术在制造业得应用
随着激光制造技术的快速发展，激光技术已经在工业领域得到广泛的应用。
利用激光来焊接金属材料有许多优越性:方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小;易于实现数控，可以焊接形状特殊的工件;激光能量集中、作用时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密
集、受热敏感的材料等等。
激光加工技术具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、便于实行数控、可进行特殊加工等优点,在切割、焊接、表面熔覆与合金化、表面热处理、新材料制备等方面得到了广泛应用。
3.4激光技术在医学上应用
激光医学在临床上的应用主要分为三大部分,包括:①激光在基础医学研究中的应用,主要是通过激光与人体器官组织、细胞和生物分子的相互作用来研究激光的生物效应。②激光诊断,是以激光作为信息载体,利用激光单色性好的特点,对组织病理形态、病理情况下的功能及找出某些致病因素等方面进行光谱分析。③激光治疗,是以激光作为能量载体,利用激光对组织的生物学效应进行治疗,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，包括：弱激光治疗，高强度激光手术，激光动力学疗法(光化学疗法)，激光诊断。
3.5激光技术在航天上的应用
航天技术作为一门综合性科学技术，是现代科学技术高度的综合集成。激光焊接技术作为一项先进制造技术，对航天技术的发展起到了重要作用。如航天电源连接器和传感器的焊接、
航空发动机的焊接、飞机客体的焊接等。随着激光器研究的深入和大功率激光器的产品化，激光焊接技术向大厚板、高适应性、高效率和低成本方向发展，同时，随着新材料、新结构的出现，激光焊接技术将逐步替代一些传统的焊接工艺，在航天领域中占据重要地
位。
总结：激光技术作为一种新的科学技术有着广阔的应用前景。快速、精准是其最大的优势，激光不仅能够在精密仪器上打标，还可以对地毯等快速的切割。激光机在现代的工业事业上功不可没。推进工业的快速发展。激光走进了人们的生活同时也加速了人类社会的进步。激光发展的步伐依旧很坚定，它将为我们做出更大的贡献并且需要我们更加深入的研究它。当前的激光技术还不是非常的成熟，还有很大的提升空间。我国当前的激光技术和国际先进水平还有一定的差距，所以在激光技术这方面要更加的努力发展。
参考文献:
[1]李相银，姚敏玉《激光原理技术及应用》.哈尔滨工业大学出版社.2004(10)
[2] 李来平,胡明华,杨学勤等.激光焊接技术及其在航天领域的应用[J]. 现代焊接,2009(8)
[3] 程灿军,钟如涛,汪连运. 激光加工技术在冶金行业的应用[J]. 武钢技术,2010,48(3)
激光的原理及应用
班级： 姓名： 学号：
摘要：激当前激光技术发展的越来越迅速和成熟，在我们生活中的各个行业应用的非常广泛。由于激光技术的先进性，精确性，所以在当前，在很多行业都得以应用和实现。本文通过对激光技术的学习，大概阐述了激光产生原理，以及激光在各个方面的应用 。
关键词：激光 原理 跃迁 谐振腔 应用
一.激光简介
激光是在 1960 年正式问世的。但是，激光的历史却已有 100 多年。确切地说，远在 1893 年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917 年爱因斯坦提出 “ 受激辐射 ” 的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将 “光受激发射”改称“激光”。
二、激光产生原理
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E2E1h。
（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。
（Ⅱ）、受激辐射
处于高能级E2的原子在满足(E2E1)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。
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。
受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。自发辐射是不相干的；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。普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。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。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。
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n2n1g2g10（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
激光自其诞生之日来，已对人类生活产生了巨大影响。其应用已渗入到人类生活的每个方面。比如监测, 检测,制造业,医学,航天等等。由于激光应用的广泛性，这里我只能从广面上稍微介绍下其应用。
3.1 激光技术在监测方面的一些应用
3.1.1三维激光扫描技术在地形测绘的应用
三维激光扫描仪用于边坡三维形状的获取、加固方案设计、边坡灾害对策及安全检测等，都具有独到得方边便性及先进性。测量设站灵活方便，测量效率高，获取的数据直接可以进行处理以得到基础信息和分析结果。在地形测绘中，三维激光扫描仪及后处理软件，只经
过简单的几个步骤就可以轻松获取高比例尺的地形图。
3.1.2激光雷达技术在大气环境监测中的应用
用于探测大气气溶胶和云的激光雷达技术主要是米散射探测技术,使用这种技术的激光雷达被称为米散射激光雷达。激光雷达是一种重要的大气环境探测手段,由于其具有时空分辨率高、探测灵敏度高和抗干扰能力强等优点,因此,利用激光雷达对大气进行监测,收集、分析数据,建立大气环境预测理论模型,将为研究气候变化和寻求治理环境的新途径提供科学的依据。
3.2激光技术检测方面的应用
由于激光技术的精确性，在我们生活中的的一些检测越来越多都用到激光检测，既方便又安全精确。如激光散斑技术在农产品检测中的应用，随着人们生活水平的提高，农产品检测技术越来越受到人们的重视，发展新颖的农产品快速检测技术是提高农产品市场竞争力、增加农民收入的有效措施。激光散斑技术灵敏度高，操作简单，作为一种新颖的无损快速检测技术已经受到越来越多的关注。
3.3激光技术在制造业得应用
随着激光制造技术的快速发展，激光技术已经在工业领域得到广泛的应用。
利用激光来焊接金属材料有许多优越性:方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小;易于实现数控，可以焊接形状特殊的工件;激光能量集中、作用时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密
集、受热敏感的材料等等。
激光加工技术具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、便于实行数控、可进行特殊加工等优点,在切割、焊接、表面熔覆与合金化、表面热处理、新材料制备等方面得到了广泛应用。
3.4激光技术在医学上应用
激光医学在临床上的应用主要分为三大部分,包括:①激光在基础医学研究中的应用,主要是通过激光与人体器官组织、细胞和生物分子的相互作用来研究激光的生物效应。②激光诊断,是以激光作为信息载体,利用激光单色性好的特点,对组织病理形态、病理情况下的功能及找出某些致病因素等方面进行光谱分析。③激光治疗,是以激光作为能量载体,利用激光对组织的生物学效应进行治疗,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，包括：弱激光治疗，高强度激光手术，激光动力学疗法(光化学疗法)，激光诊断。
3.5激光技术在航天上的应用
航天技术作为一门综合性科学技术，是现代科学技术高度的综合集成。激光焊接技术作为一项先进制造技术，对航天技术的发展起到了重要作用。如航天电源连接器和传感器的焊接、
航空发动机的焊接、飞机客体的焊接等。随着激光器研究的深入和大功率激光器的产品化，激光焊接技术向大厚板、高适应性、高效率和低成本方向发展，同时，随着新材料、新结构的出现，激光焊接技术将逐步替代一些传统的焊接工艺，在航天领域中占据重要地
位。
总结：激光技术作为一种新的科学技术有着广阔的应用前景。快速、精准是其最大的优势，激光不仅能够在精密仪器上打标，还可以对地毯等快速的切割。激光机在现代的工业事业上功不可没。推进工业的快速发展。激光走进了人们的生活同时也加速了人类社会的进步。激光发展的步伐依旧很坚定，它将为我们做出更大的贡献并且需要我们更加深入的研究它。当前的激光技术还不是非常的成熟，还有很大的提升空间。我国当前的激光技术和国际先进水平还有一定的差距，所以在激光技术这方面要更加的努力发展。
参考文献:
[1]李相银，姚敏玉《激光原理技术及应用》.哈尔滨工业大学出版社.2004(10)
[2] 李来平,胡明华,杨学勤等.激光焊接技术及其在航天领域的应用[J]. 现代焊接,2009(8)
[3] 程灿军,钟如涛,汪连运. 激光加工技术在冶金行业的应用[J]. 武钢技术,2010,48(3)