激光的原理及应用

浅谈激光的原理及应用

班级：2010级物理一班 姓名：田芸 学号：20100516088

摘要：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，所以在当前，在很多行业都得以应用和实现。本文阐述了激光产生原理，以及激光在生活中某些方面的应用。 关键词：激光 原理 应用

1、引言

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。 在1916年爱因斯坦就曾发表过一篇论文，提出了一种现在叫光学感应吸收和光学感应发射的观点（又叫受激吸收和发射），这一观点后来竟成为激光器的主要理论基础，1952年，美国马里阑大学的韦伯开始运用上述概念去放大电磁波，但工作没能往前发展，只有激光的发明人汤期向韦伯索要了论文，继续这一工作，才打开了一个新的领域。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”。

2、激光的原理和特点 2.1 激光的原理

由原子结构可知，电子绕核高速旋转，各自有不同轨迹道，这些轨迹道称为能级电子，处于不同的能级。原子系统的能量不同，由于粒子有趋于低能级的特性，平衡状态时，低能级粒子吸收能量，跃迁到高能级上，（分布规律符合玻而兹曼公式）。如果提供一个能源，使低能级粒子吸收能量，跃迁到高能级上，使高能级粒子数多于低能级粒子数，这就是所谓的“粒子聚集数反转”，高能级粒子有向低能级自发跃迁的趋势，一个电子自发跃迁时，一个能级差放出一个光子，称自发辐射，自发辐射放出光子的频率的跃迁的能差成正比，符合普朗克公式hr=E2-E1，如图所示，

E2 E1 二能级原子能级图

式中H=6.626x10-34(J.S)为普朗克常数；r为光子频率；E2，E1分别为高能级和低能级能量，此光子又激发E2能级的粒子，使E2能级的粒子受激放出频率、相位，方向完全一致的光子即受激发射，此时E2能级一个粒子，产生了二个完全相同的光子，这两个光子再出激发E2能级的粒子，就产生了四个相同光子，这种雪崩式的反应，使入射光得到放大，使光强迅速增强，如果在粒子受激辐射系统的两端设置二块相互平行的反射镜，构成光学谐振腔，那么平行于谐振腔轴线的光，在二个反射镜之间振荡放大，越来越强，直到E2能级的粒子都受激跃迁到E1能级时，“粒子聚集反转”现象消失，随时逸出谐振腔外而消失，最后得到的光束方向一致，亮度最高的单色光即激光。 2.2 激光的特点

亮度高：它是世界上最亮的光源，CO2激光亮度比太阳表面亮8个数量级，铂玻璃激光亮度比太阳表面亮16个数量级。

方向性好：近似于理想的平行光，远距离传播时，扩散面积很小。 单色性好：光谱宽度极窄，比氪灯的光谱还窄几个数量极。 具有反射.折射.透射.聚焦特性。

功率密度高：一般在105～107w/cm2，经充分聚焦后可达106～1012w/cm2。

3、激光的应用

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,航天等各方面。由于激光应用的广泛性，这里我从以下几个方面介绍其应用。 3.1 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。 4.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)

[4]杨福家《原子物理》.高等教育出版社.2008.4

[5]罗鹏晖，陈忠银.《谈谈激光的应用意义和前景》.中国科技信息.2006(15)