1、1 1激光原理及其应用技术简介物理系物理学专业 09.2 刘娜摘 要：激光（LASER）是上实际 60 年代发明的一种光源。LASER 是英文的“受激放射光放大”的首字母缩写。激光有很多特性：激光是单色的，或者说是单频的;激光是相干光;激光是高度集中的。由于激光的这些特性以及经过 30多年的发展，激光现在几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研的方方面面。关键词： 激光 激光原理 激光的特性 激光应用Principle of laser and its application technologyLiuna Class 2,Grade 2009 Physics Major Department
2、of PhysicsAbstract: Laser (LASER) is a kind of light source on the actual 60s invention. LASER is the English “stimulated emission light amplification“ acronym. Laser has many characteristics: laser monochromatic, or is the single frequency; laser is coherent light; laser is highly concentrated. Bec
3、ause of these characteristics of the laser and after 30 years of development, the laser is now almost everywhere, it has been used in every aspect of life, scientific research.Keyword: laser laser principle The characteristics of laser laser action；1 引言1960年，在光学发展史上发生了不寻常的事件：激光器一种具有极高亮度和极好单色性的新型光源诞辰
4、诞生了。激光器的发明开创了一个光学新时代，发展了一门新技术。同时还带动了一些新型学科的发展，如全息光学、付里叶光学、非线性光学、激光光谐学和光化学等。激光到底是什么?下面就有关激光的知识作一个简单的介绍。2 激光的原理2.1 激光的概念由玻尔的氢原子理论可知，组成物质系统的大量原子或分子(以下统称粒子)是按能级分布的。绝大多数粒子处在最低的能态基态。但在常温下，由于热激发，也有少量粒子获得能量而跃迁到较高能级的能态激发态，能量愈高的能级，粒子数愈少。处在高能级的粒子是不稳定的，即使在没有任何外界作用下，粒子也能从高能级跃迁到低能级，同时发出一个光子，这一过程叫做自1 2激发射。所发光子的频率为
5、： 。hEr12粒子的自发辐射是一个随机过程，各粒子彼此独立的互不相关地发光，它们发光开始的时间不同，光的传播方向不同，光的相位之间也没有一定的关系。所以自发辐射产生的光是非相干光。但是下面的情况就不同了。处在高能级的粒子，在一个能量等于两能级之差（ ）的光子作用下，从高能级跃迁到12E低级并发射一个光子，这一过程称为受激辐射。与自发辐射不同，受激辐射一定要在外来光的作用下发生并发射一个与外来光完全相同的光子，也就是说受激辐射产生的光与外来光的频率相同，振动方向相同，相位相同，并且传播方向相同，所以它们是相干光。受激辐射产生的光加上原来的外来光，结果光在传播方向上光强得到放大，如图2所示。所谓
6、激光是受激辐射光放大。除了受激辐射外，还存在着受激吸收，受激吸收是处在能级E的粒子，吸收受一个能量为 的光子后跃迁到高能级的过程，12Ehr简称吸收。吸收使通过物质的光子数减少，而使处在激发状态的粒子数增加。对包含大量粒子的系统来说，一个粒子的自发辐射光相对其它粒子而言就是外来光，客观存在可以引起激发态粒子的受激辐射，也可以被低能态粒子吸收，所以自发辐射、受激辐射和吸收这三种过程是同进发生的，在不同的条件下，发生的主要过程是不同的。例如普通光源主要是自发辐射，激光器中发射的光主要是受激辐射产生的。1 32.2 激光的特点1、高单色性一般光线是由多种颜色光合成的，如太阳光是包括可见光波长范围，占
7、有波长很宽，而霓虹灯、水银灯、钠光灯、氪灯称为单色光源，但与激光比所占的波长还是宽得多。因此利用激光的高单色性特点，可以制成具有更高的精度和量程的精密测量仪器。2、高方向性常见的聚光灯、探照灯发射的光束有明显的扩散，而激光的光束发散角极小，近似平行光，如有一种激光经过发射望远镜后光束u径为一米，传输到10(30公里后，其光束直径只有几米，因此利用激光作远距离激光通讯，远距离测量等。3、高亮度性由激光高方向性和透镜聚焦可以改变光斑大小和控制功率密度，最高亮度比太阳表面亮度高100多亿倍。因此激光高亮度、高能量可以用于工业上对金属或非金属材料进行打孔、切割、焊接等加工。在军事上可以制成各种激光武器
8、，以及在农业、医疗等领域的应用。4、相干性好即激光的频率、相位和传播方向都是相同，属于相干光源，其光线叠加幅度稳定，在时间上和空间上周期是一定的，故它适用于全息照相，干涉测量等。2.3 激光的产生原理玻尔兹曼分布率告诉我们，工作物质处在热平衡时，处在高能级的粒子数总是远小于低能级的粒子数。此时如有一束外来光入射到工作物质，那么它将同时发生受激辐射和受激吸收，如果吸收大于辐射，则光在工作物质内传播时光强会越来越弱。如果受激辐射大干吸收，则光在工作物质内传播时光强会越来越强，好就是获得光的受激放大，这就是产生激光的原理。3. 激光器3.1 激光器的分类现在常用的激光器按发出激光的激活介质分有固体、
9、气体、液体、半导体激光器等；按激光器输出的工作方式有连续式和脉冲式的激光器。3.2 激光器的组成激光器一般是由三个部分组成：(1)激活介质，如红宝石、氢一氖气体等，(2)使激活介质实现粒子数反转的激励能源；(3)光学谐振腔。光学谐振腔是激光器中最重要的组成部分，光学谐振腔是指激活介质两端两块平行放置的反射镜之间形成的空间。它有以下三个方面的作用。(1)维持光振荡。实现粒子粒反转的激活介质，可以做成光放大器，但还不能成为一台激光器。因为产生受激辐射最初的外来光的受激放大，同时有一部分被吸收，所以它是一个放大器，但激活介质的有限长度，不可能产生强的受激辐射光。如果在激活介质两端各加一块反射镜，让一
10、次通过激活介质再进一步放大这样往返传播；受激辐射光不断增强，光强增强的同时，谐振腔内还有光的损耗，反射镜对光的吸收，衍射光的损耗等，考虑了谐振腔内所有损耗之后如果要使光在谐振腔内往返一次都有提供大于零的放大。只有这样，受激辐射光放大才能在腔内不断往返中继续维持下去。但是这放大不会无限继续下去，因为光强的增加是以1 4高能态的粒子减少为代价的的。所以受激辐射光达到一稳定不变的光强时，一次往返中光的放大等于光的损耗，这时受激辐射光达到一稳定来变的光强。(2)选择激光的方向性。前面已提到产生受激辐射的初始外来光是激活介质的自发辐射，而大量粒子的自发辐射是一个随机过程。自发辐射光向四面八方发射，因而产
11、生的受激辐射光也是射向四面八方的，是非相干光。(3)提高激光的单色性。激活介质粒子从高能级E跃迁到低能级E时，发出的光谱线不是严格的单色光，而是有一定频率宽度的复色光。其光强随频率的分布如图4所示，其中是谱线的中心频率， 为谱线的宽度， 愈小，谱线愈窄，光的hr120rr单色性愈好。原子发光都有一定的谱线宽度，单色性较差，而谐振腔在这方面起到了选择频率的作用。原理如下：由于受激辐射光波地两反射镜之间往返传播。根据波的干涉原理，两列频率相同，振动方向相同，而在波的传播方向上叠加时，将形成驻波，反射镜面为波节如图5所示。既然是驻波，就必须满足腔长L等于半波长整数倍的驻波条件，即：。nq2用频率表示
12、，则上式: 上式中 一般为数值很大的正整数， 为真空nLCq2qC中的光速，“为介质折射率， 为谐振频率。可见在激光器中，可以同时存在频率间隔 的许多谐振频率，但这些nLCq2频率又必须在激活介质的光谱频率范围之内。这样谐振腔的作用在激活介质的光谱频率宽度之内选取满足驻波条件的谐振频率使之得到放大，从而提高了激光的单色性。4. 激光的应用技术与防护4.1 激光的应用技术由于激光具有单色性好 方向性强 相干性及亮度高等优异性能 使其在工业 农业 医疗 国防 军事等领域得到了广泛应用 ,并成为当代科学技术中发展最快的科技领域之一。随着现代光学技术的迅速发展,激光不仅在材料加工与制备医疗科研等领1
13、5域得到了广泛应用，而且在激光测距激光制导激光通讯和激光致盲武器等方面也得到了越来越广泛的应用。在工业方面，激光主要用于激光钻孔切割表面热处理导向精密定位等，效率提高了几十甚至几百倍；在农业方面，激光主要用于激光育种和生物工程，如细胞融合 基因工程等，已取得了许多成果；在医疗上，手术治疗诊断等各方面都有重要的应用；激光在科研上的应用主要体现在激光同位素分离激光生物工程激光光谱学激光全息技术等方面,已经成为科研测试中的重要技术之一。激光技术在军事领域的应用和发展更为迅速，主要包括激光测距机激光目标指示器激光雷达激光制导激光致盲武器等。据报道，日本NEC公司研制了铒玻璃5.4 m近红外 开关手提式
14、激光测距仪，实现了l0km测距；德国利用压Q缩甲烷的喇曼频移技术研制了Nd：YAZ激光器，实现了20km测距。美国研究的激光致盲武器种类最多水平最高。如车载式的“魟鱼”和“骑马侍从” ，机载式的“花冠王子”以及步兵手持式的AN/PLQ-5眩目器和“眼镜蛇”等，这些激光武器的威力已经在海湾战争马岛战争 以及伊拉克战争中得到了验证。除此之外，激光技术在空间中也有很多的应用：如地形、地貌测绘；气象、海洋、植被及地学等方面的应用与研究；航天器交会对接；空间激光通讯/量子通信等等。地形、地貌测绘是激光技术在空问最为常见的应用，也是最为成熟的技术。较典型的系统有美国NASA于1996年研制使用的“航天飞机
15、激光测高仪”SLA(发展了两种型号),SLA采用106 的激光器作为发射源，采用普通阈值探测和计m数方式，通过测量激光脉冲在航天飞机和地球地面第一个回波的时间来计算地面与航天飞机的距离，对一片区域测量出大量数据后，就可以形成地形地貌的数字高度模型(DEM)。SLA在第一次为期10天的任务中，获得约50万个地面回波数据(地面光斑直径约100 m)，得到了部分非洲、亚洲和大洋洲的DEM，测量误差均方根为28 m。这些数据与原有用雷达获得的全球数字高度模型GTOP030的数据进行了比较，对原地貌模型进行了修正。激光高度计也被应用于月球三维地形地貌的测量，NASA于2009年发射的“月球轨道激光高度计
16、”LOLA就是用于形成整个月球表面的高精度地形模型和月球大地坐标框架，这对探测器在月面选择安全着陆点，漫游器在月面的安全移动、对自身进行定位等工作都具有重要意义。LOLA是一个多功能的激光设备，它将激光脉冲分成5束激光，射向月面，激光接收器同时探测这五束回波，可以从飞行时间得到距离，从波形的展宽情况得到月球表面的粗糙程度，从回波信号强度得到月球表面反射率等信息。这5束激光的排布使得LOLA可以确定在2维方向上的月面坡度。图1是LOLA的结构图和工作模式示意图和测量到的月球背面的地形图。1 6图1 LOLA结构工作不葸图和测量得到的月球表面商度 火星的地形地貌也早已成功地由激光高度计获得，由NA
17、SA研制并于1997年到达火星轨道的“火星轨道激光高度计”MOLA(发展了两种型号)，也是一个著名的空间激光用于地貌测量的例子，它一直工作到2001年。它是绕火星飞行的“火星全球勘察者” 上的4个有效载荷之一，它可测量火星山脉的高度、峡谷的深度和反射率等信息，并将这些信息传回到地定球上来。图2是MOLA数据生成的火星高分辨率地貌图和伪彩色表示的火星全球高度模型。图2 MOLA所测量的火星地形地貌用于此类用途并基于相似原理的激光设备还有很多，如于1994年发射的第一个获得月球全部地形模型的“克莱门丁”上的“激光图像探测和测距系统”LIDAR(精度较低，平面分辨率200 km)，日本用于测量月球地
18、貌的“月球激光高度计”LALT，1999年进入小行星轨道，用于测量近地小行星地貌体积的“近地小行星激光测距仪”NLR。(发射能量6 ，测距距离大于100 km，精度6 m)，mj还有在去往水星执行任务的“水星激光高度计”MLA，它将用于获取水星的地形地貌和空间环境等信息。由此可见，激光在空间测绘技术领域已经发展得很成熟，同时由于其在空间应用中的重要作用，数十年来一直还在不断的发展和应用。近来的一个发展方向是采用单光子面阵探测器来提高地貌测绘的效率和作用距离，正在研制的“木星冰卫星轨道器”JIMO和预定于2013年开展的ICESat-II中的激光测高仪都是采用这种技术，前者测量木星卫星的地形，后
19、者测量地球地面。4.2 激光的防护激光的应用广泛，但也存在一定的弊端。对人体和光电设备的传感器及光学系统构成了极大威胁,激光安全与防护日益紧迫,如何进行有效的激光防护已引起各国的极大重视,如美国国防部每年投资l 亿美元研究抗强激光措施,并取得了很大进展。从光学原理上看，光与物质相互作用，使介质产生极化，宏观极化强度和光场强度 的关系可用下式表示：pE3)(2)()1( Ep1 7基于式中的线性项产生光学效应的激光防护材料，称为基于线性光学原理的激光防护材料，主要包括线性吸收型反射型衍射型复合型以及相干型防护材料。目前国内外应用最广，实用化技术最高的激光防护材料，有塑料型和玻璃型两种。塑料型是在
20、光学塑料中加入吸收激光的有机染料，优点是光密度高质轻价格低制备方便 缺点是易老化表面硬度低 耐化学试剂性差。玻璃型是在玻璃熔炼的过程中加入无机燃料制成，克服了塑料防护材料的缺点，但其光密度低吸收波长少。目前实现多波段防护的激光玻璃的研究也取得了很大进展，南京工业大学研制的吸收0.53和1.06 的激光防护玻璃，光密度达到4，可见m光透过率T 58%，基本满足激光防护的要求。在玻璃基底上蒸镀多层介质膜，利用光的干涉原理，有选择地反射特定波长的激光，而使其他波长的激光绝大部分通过。与吸收型防护材料相比，反射型激光防护材料是反射激光，因此能经受更大的激光功率。在吸收型防护材料表面再镀上反射膜，既能吸收某一波长的激光，又能利用反射膜反射特定波长的激光，在一定程度上改变了防护材料的防护性能，从而达到激光防护的目的。5 结语
