浅谈激光的基本原理与应用

浅谈激光的基本原理和应用

摘要：激光是20世纪最重要的发明之一，激光的出现为人类带来了地球上从未见过的高质量光源，从而开拓了新的研究领域，开创了光应用的新途径，使许多过去不能实现的事情不断地成为现实。激光的基本原理，并简要介绍激光不同于普通光源的显著特性和激光在现代社会中的广泛应用。

关键词：激光研究领域应用

我们生活的这个世界充满了光，光是人类赖以生存的基本条件之一。人类最初懂得利用的光是自然界的太阳光。激光技术是一门既属于光学又属于电子学的光电子技术。激光技术最显著的特征是它对其他技术具有广泛的渗透性。激光技术的飞速发展必将在通信、信息处理、计量、工业加工、土木建筑、能源、生物、医疗等广阔领域带来革命性的变革。

1、激光的基本原理

物质是由一些同类微粒组成（即原子、分子、离子）。由于这些能级处于不同的能级上，而在这些能级中，用E1及E2分别表示两个能级量，E1所带的能量少，属低能级。E2所带的能量多。为高能级。由于粒子所含的能量不同，总的来说粒子在低能级的占多数，高能级的占少数。因此在低能级（E1）中的粒子数大于高能级中（E2）的粒子数。可用图1表示、低能级（E1E2）上粒子数的分布。

图1 粒子二能级分布图

1.1受激吸收

受激吸收低能级E1的粒子当吸收一定频率r21的外来光能时，粒子的能量就会增到E2＝E1＋hr21(h)表示普朗克常数），粒子就从低能级E1跃迁到高能级 E2上，这一过程叫做受激吸收，而外来光的能量被吸收，使光减弱。粒子进

行跃迁不是自发的，要靠外来光子刺激而进行。粒子是否能吸收发来的光子，还得取决于两个能级（E1和E2）性质和趋近于粒子的光子数的多少有关。而与其它方向、位相等方面就无任何限制。

1.2 自发辐射过程

自发辐射处于高能级的粒子很不稳定，不可能长时间的停留在高能级上。在高能级E2中的粒子会迅速跃迁到低能级E1上，同时以光子的形式放出能量hr21＝E2－E1 （hr21为辐射光子频率）。这一过程不受到外界的作用时完全是自发的。所产生的光没有一定规律，相位和方向都不一致。不是单色光。因此与受辐射发出的光，其相位和方向完全相反。这种以光的形式辐射出来的，叫做自发辐射跃迁。可是在跃迁的过程中有一些不产生光辐射的跃迁，而它们主要是以热的运动形式消耗能量，即为无辐射跃迁。自发辐射的特点，即每一个粒子的跃迁都是自发的，孤立地进行，也就是相互独立，彼此无联系。产生的光子杂乱无章，无规律性。

1.基能级上的粒子

2.粒子被激发到E2能级上

1.处于高能级E2上的粒子

2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一干光子

1.3 受激辐射的特点

受激辐射它是与受激发吸收的相反过程处于高能级的粒子，在某种频率r21光子诱发下，从原来所在的能级上 E2，放出与外来光子完全相同光子，此时既产生了一个光子（受激发前后共有2个光子），使原来的能量减少△E＝hr21。把高能级上的粒子跃迁到低能级 E1上的这一过程称做受激辐射。

受激辐射的特点本身不是自发跃迁，而是受外来光子的刺激产生。因而粒子释放出的光子与原来光子的频率、方向传播、相位及偏振等完全一样，无法区别出哪一个是原来的光子，哪一个是受激发后而产生的光子，受激辐射中由于光辐射的能量与光子数成正比例，因而在受激辐射以后，光辐射能量增大一倍。以波动观点看，设外来光子为一种波，受激辐射产生的光子为另一种波，由于两个波的相位、振动方向，传播的方向及频率相同。两个波合在一起能量就增大一倍，即通过受激辐射光波被放大。外来光子量越多，受激发的粒子数越多，产生的光子越大，能量越高。

1.处于高能级E2上的粒子。

2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一个光子。

受激辐射时光束放大

从上可知，受激辐射及吸收同时存在于光辐射与粒子体系，是在同一整体之中相互对立的两个方面，它们发生的可能性是同等的，这两个方面即受激辐射与吸收哪一个占主导地位，取决于粒子在两个能级上的分布激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的，也就是在基发态的粒子数尽可能多些,以实现受激辐射。

2、激光的产生和激光器

2.1产生激光的条件和过程

激光的产生，必须有激光器，而激光器必须具备三个主要的组成部分。

激活物质即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也称做激光工作物质。诸如氖、氩、CO2、红宝石及钕玻璃等。必须具备有亚稳态能级性质的物质。

激励装置能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，既称为激励装置。如

各种激光器所具备的电源。

光学谐振腔能使光子在其中重复振荡并多次被放大的一种由硬质玻璃制成的谐振腔。产生激光的过程可归纳为：激励→激活介质（即工作物质）粒子数反转；被激励后的工作物质中偶然发出的自发辐射→其它粒子的受激辐射→光子放大→光子振荡及光子放大→激光产生。

基于以上所述，在激光产生的原则中缺一因素不可。从原理了解激光形成的过程，对具体使用好激光手术刀很重要。并可能在工作中能得心应手地掌握激光。能尽量大限度地维护激光器，及防止在使用时所产生的伤害。

2.2 激光器

激光器有很多种类型，但他的必要组成部分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源。形成激光的一个重要条件是，粒子数反转，就是导带的粒子数密度大于价带（半导体）或高能级的粒子数密度大于低能级（气体或固体），激光的现象就是在这样一种偏离了平衡态的稳态。

半导体激光器比起固体激光器和气体激光器，结构上还是有很大区别的。半导体激光器一般是三层或多层异质结结构，这样由于折射率的的内大外小自然构成了光约束，又由于异质结结构形成的量子井结构（最早的半导体激光器不是量子井结构的，随着MBE的半导体加工技术的应用，单井和多井结构得以实现），对载流子形成了约束，使受激发射大都发生在增益介质的带边，这样就大大提高了激光器的效率。半导体激光器是电泵浦的，不同于气体激光器或固体激光器的光泵浦。

激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能

武器。根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成，目前通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点，但也存在易受天气和环境影响等弱点。激光武器已有30多年的发展历史，其关键技术也已取得突破，美国、俄罗斯、法国、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验。目前低能激光武器已经投入使用，主要用于干扰和致盲较近距离的光电传感器，以及攻击人眼和一些增强型观测设备；高能激光武器主要采用化学激光器，按照现有的水平，