刘小平激光 论文最新讲解.docx

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刘小平激光论文最新讲解

江西师范大学2012届本科毕业论文

题目：

激光的发展与应用

Title:

Thedevelopmentandapplicationoflaser

院系名称：

物理与通信电子学院

学生姓名：

刘小平

学生学号：

0807020124

专业：

物理学类

指导老师：

程晏蓓讲师

完成时间：

2012年4月

声　　明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

其中除加以标注和致谢的地方，以及法律规定允许的之外，不包含其他人已经发表或撰写完成并以某种方式公开过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而作的材料。

其他同志对本研究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并表示谢意。

本毕业设计（论文）成果是本人在江西师范大学读书期间在指导教师指导下取得的，成果归江西师范大学所有。

特此声明。

声明人（毕业设计（论文）作者）学号：

声明人（毕业设计（论文）作者）签名：

签名日期：

　　　　年　　月　　日

摘要

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。

激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960年激光才被首次成功制造。

但激光一问世，由于它方向性好、单色性纯、亮度高、相干性好的特点在许多领域得到了广泛应用，在工业、农业、军事、通信等方面都有应用。

基于此，本文从激光的“受激辐射”的基础原理出发，介绍激光的优异特性，从而介绍激光的应用现状。

最后在激光目前的应用现状提出相应发展趋势。

关键词：

激光；激光原理；激光特性；激光的应用；发展趋势

Abstrct

Thelaseristhe20thcentury,afterthefollowingatomicenergy,computers,semiconductors,thehumanisanothermajorinvention.Theprincipleofthelaserinearly1916hasbeenfamousAmericamphysicistAlbertEinsteinfound,butuntil1960thelaserwasonlyforthefirsttimesuccessfullyproduced.Butthelaserisanadventofgooddirectionality,monochromaticitypure,highbrightness,coherenceandgoodhasbeenwidelyappliedinmanyfields,andhasapplicationsinindustrial,agricultural,military,andcommunications.Basedonthisthisarticlefromthelaser"stimulatedradiation"basisprinciple,thispaperintroducestheexcellentpropertiesoflaser,andintroducesthepresentsituationoftheapplicationoflaser.Finallyinthepresentsituationoftheapplicationoflasernowputforwardthecorrespondingdevelopmenttrend.

Keywords:

Laser;Laserprinciples;Lasercharacteristics;Laserapplication;Thetrendofthedevelopmentoflaser

1引言

自1960年7月梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器以来，经过四十年的发展，人们在激光的研究上突破了许多技术难题并取得了相当的成就。

激光的发明是20世纪中期一项划时代的成就，对人类社会文明产生了极其深远的影响。

人们把激光和原子能、半导体、计算机列在一起，称为20世纪的“新四大发明”。

激光被发明以来，以其方向性强、单色性好、高亮度和高度的时空相干性的特性在各个领域得到了相当广泛的应用。

激光的出现不但引起了光学革命性发展，冲击了整个物理学，并且对其它学科如化学、生物学和技术及应用学科，如电机工程学、材料科学、医学等都产生了巨大的影响。

激光是一项通用技术，它提供了可以在大量实际领域应用的技术能力，如激光技术材料加工、激光育种、激光诊断、激光通信、激光武器等。

激光的英文名称是LASER，是由其全称Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation取字头组合而成的专门名词。

1964年10月，钱学森院士提议取名“激光”，明确反映了“受激辐射”的科学内涵，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。

本文从激光“受激辐射”的原理出发，介绍激光优异的特性，根据激光的特性呈现激光的应用现状，并就激光的应用现状，提出激光的发展趋势。

2激光是怎样产生的

普通光源的发光机理是这样的：

组成光源的物质原子总是在永不停息的运动中，特定的原子的能量只能取特定的某些分立值一能级,原子在通常情况下处在最稳定状态即能级最低的状态（称为基态，而能量较高的状态称为激发态）。

当原子从能量较高的状态跃迁到能量较低的状态时，将能量以光的形式放出。

原子在一对能级间发出跃迁时，发出或吸收的辐射之频率V决定于如下关系：

或

（1）

原子从高能级向低能级的跃迁，它们对应于光的发射过程。

与每个发射过程对应地都有一个从低能向高能能的跃迁，即光的吸收过程。

两个过程都满足同一频率条件，即上式。

当原子从能量较高的状态跃迁到能量较低的状态时,将能量差以光的形式放出。

这个发光过程叫做自发辐射。

与此相对,若用光照射激发态原子,激发态原子会跃迁到低能级上,同时放出光子,这个光子与激发它的尤子完全一样,这叫受激发射。

通过受激发射,一个光子变成两个一模一样的光子,光得到了放大。

要想实现受激辐射得到光放大,必须使处于高能级的原子数目超过处于低能级上的原子数目,即粒子数反转[1]。

但是过到热平衡态后，各能级上原子数目的多少服从一定的统计规律，即E1和E2能级的原子数之比为

（2）

在实际的原子体系中，根据玻耳兹曼的平衡态分布定律，处于高能级的原子数总比低能级的原子数少。

在通常情况下，原子体系总是处于热平衡状态的，所以N2总是小于N1.亦即吸收的能量总是大于受激辐射的能量。

如果我们能够通过某种方法破坏粒子数的热平衡分布，使N2>N1，那么受激辐射能量将大于吸收的能量，受激辐射过程将胜过吸收过程。

这时的粒子数分布已经不是平衡分布了，我们把这种分布叫做粒子数反转。

从以上的分析可以看出，在通常情况下，吸收过程总是主要的，受激辐射过程是次要的。

但在一定的条件下，在破坏了原子体系的平衡分布后，就有可能使受激辐射过程占据上峰，这样就实现了粒子数反转。

由上述激光产生的物理过程可以看到,为使大量原子集团产生受激发光,必须具备一些特殊条件。

正如电子振荡电路一样,当用某种方法产生的振荡受电阻等影响而衰减时,为使振荡继续产生,必须从电源补充能量或者从输出端反馈一部分功率以维持振荡继续下去。

受激发光产生的特殊条件概括起来有以下三个：

激励能源、工作物质、谐振腔。

这三方面构成一个激光器。

3激光的特性

3.1方向性好

普通光源是朝四面八方发射光辐射的，这样发射光辐射可以照亮眼前周围的地方，照亮的距离并不远。

要扩大照明的距离，可以利用光学系统把各个方向发射的光聚集到要照明的地方，汽车的前车灯等就是利用这个办法增大增大照明的距离的。

激光不同它特性是朝一个方向发射的，而且射出的光束发散角很小，称得上是高亮度平行光束。

因为激光的方向性好，激光的发散角为毫弧度量级，比普通光及微波的发散角要小2~3个数量级。

也正因为激光的方向性好，使得它能照亮很远的物体，1962年，人类第一次从地球上发出激光束，照射到月球表面。

月球到地面的距离远达384，000公里，如果从地球上发射一束激光到月球表面上，光斑直径不超过2，000米。

如果换用普通光源，即使是最强的探照灯，射到月球上散开的光斑也比月球还大。

3.2单色性纯

科学上用光辐射能量集中的频谱范围衡量光的单色性，谱线宽度越窄，表示光辐射的单色性越好。

太阳光辐射能量分布在从紫外至远红外的广阔光谱区域，所以它谈不上单色性。

常用的单色光源，如氖灯、氪灯、氢灯等，它们的光辐射谱线宽度比较窄，其中氪86光源有单色性之冠的称号，它的谱线宽度只有4.7×10-4nm。

而He-Ne激光器发射激光的波长为633毫微米，谱线宽度只有2×10-9nm,单色性比氪86单色光源高万倍[2]。

普通光束的光子简并度不大于10-3，相当于“噪音束”，不可能传递大容量信息，只有高简并度的激光才具有可能实现真正光通讯的单色性。

3.3相干性极好

相干性是表示电磁场在空间不同位置上瞬时的或统计的相位相关性质。

从物理学的角度看，高光子简并度就意味着相干性好。

光的相干性有两种：

时间相干性和空间相干性。

如果光束中两点之间的无规相位差平均值恰巧小于1rad,这两个点之间的距离叫“相干长度”。

光波沿其传播方向通过相干长度所需的时间叫“相干时间”。

时间相干性是指不同时刻由同一点发出的光波之间的相干性。

空间相干性是指由不同空间不同点发出的光波的相干性。

普通光源的辐射，其相干长度很短，以氪灯发射的红光来说，其相干长度只有38.5cm.而特制的氦氖激光器输出的光束相干长度达到2×107.激光的单色性很好，它的相干长度很长，所以干涉效应非常明显。

3.4亮度高

从几何光学观点看，高光子简并度就是高亮度。

激光焦点处的辐射亮度能比普通光高108~1010倍。

2毫瓦He-Ne激光器发射光束直径能过2毫米，发散角3×10-4弧度，其辐射亮度达到2×105/cm2.sr.这束激光相当白炽灯的3淘千倍，太阳光的100倍。

4激光的应用现状

激光的应用主要是利用激光方向性强、高亮度、高度的时空相干性和性纯的特点，因而在工业、农业、国防、医疗、天文、地理、科研尖端等各个方面得到了广泛的应用。

由于它的高亮度，使它在各种材料的加工中显示了巨大的威力，使在地球上制造小太阳似的热核聚变有了希望；由于它的相干性好，使全息照相术得到了实际的应用，使长度计量和干涉计量提高了精度。

由于它的单色性纯，开创了激光光谱学的新领域，使定向和催化化学得到了突飞猛进。

4.1激光在工业方面的应用

激光加工代表精密加工装备未来的发展方向,体现着一个国家的生产加工能力、装备水平和竞争力。

目前,激光加工技术在各种金属与非金属材料加工中的应用非常广泛。

激光由于其优良的光束特性,自诞生以来,就在工业加工领域起着非常重要的作用,并且不断地深入到工业生产的各个领域,以其独特的优越性,成为未来制造业的重要加工手段。

与一般的机械加工相比较,激光精密加工具有许多优点。

加工精度高,在一般情况下均优于其他传统的加工方法,如电火花加工、电子束加工等；属于非接触加工,无工具磨损,热影响区和变形很小,因而能加工十分微小的零部件，而且激光束能量可控制,移动速度可调；加工的对象范围广,几乎所有的金属材料和非金属材料如钢材、耐热合金、陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金及复合材料都可以加工；自动化程度高,可以用计算机进行控制,加工速度快,工效高,可很方便地进行任何复杂形状的加工。

由上可看出，激光精密加工技术具有许多传统加工方法不可比拟的优越性,其应用前景非常广阔。

4.1.1激光打孔

打一般钻头不能打的异型孔微米孔。

随着技术的进步,在很多工业应用场合传统的打孔方法已不能满足要求。

例如在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔;在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百微米直径的深孔,在塑料薄膜上加工出整齐划一、孔径均匀且孔径为几十微米的规则排列的小孔等,用常规的机械加工方法无法实现[3]。

而激光束的瞬时功率密度高达108W/cm2,可在短时间内将材料加热到熔点或沸点,在上述材料上实现打孔。

4.1.2激光切割

激光切割的优势主要体现在—切割高强度、高硬度的合金不产生形变。

激光切割是利用聚集后的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料熔化、汽化、烧蚀，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质。

与传统切割法相比，激光切割有很多优点。

它能开出狭窄的切口、几乎没有切割残渣、热影响区小、切割噪声小，并可以节省材料。

激光对被切割材料几乎不产生机械冲力和压力，所以适合切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料[4]。

4.1.3激光焊接

激光焊接焊一般的焊接方法不能焊的难熔金属。

激光焊接是利用激光作用在金属表面上产生瞬时熔化而连接金属的一种焊接工艺,许多电子元器件在生产制造过程中需要多种焊接,由于元器件不断向小型化发展,要求焊点小、焊接强度高、焊接时对周围热影响区小。

传统的焊接工艺难以满足要求,而激光焊接则可以实现。

激光焊接也成功地应用于微电子仪器壳体的密封缝焊,不必担心加热对仪器造成破坏。

因为激光可以产生真正的熔焊,使接触点各方面的材料熔化混合。

无线电电子设备的工作可靠性取决于线路连接的可靠性,激光焊接对某些形式的线路连接最为实用,有时甚至是唯一可行的。

激光焊接过程中由于无机械接触,不会产生压缩变形,并且排除了异物落入被焊零件的可能,这正是电阻焊、氩弧焊和等离子焊中经常出现的现象。

4.1.4激光热处理

激光热处理指的是，激光通过光导纤维传输光能量，处理一般热处理不能达到的部位。

4.2激光探测

利用激光亮度高和方向性极好的特点，研制了激光测距仪、激光雷达和激光准直仪。

激光测距：

激光测距是利用激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大的特点，在有合作目标的情况下，激光测距可以达到极远的测程。

中国在南美安装了首台人造卫星激光测激光在文娱教育、物理研究中的应用距仪,主要用于中国国家天文台与阿根廷圣胡安大学天文台合作开展的人造卫星激光测距工作。

激光探测：

激光探测主要体现在激光雷达的功能上。

激光雷达可以对大气进行监测,遥测大气中的污染和毒剂,还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。

激光雷达发展成的激光制导,在海湾战争中得到了运用,使轰炸目绘,2008年奥运会举办时,一座按照明清时代特征修复的山海关古城将再现标的精度显著提高[5]。

在我国,激光雷达测量技术已成功运用于山海关古长城的测世人。

测光准直：

激光准直仪在生产和科学实验中发重要的作用，如激光导航、激光导引飞机着陆、激光扫平、激光瞄准镜,用于高层建筑、导弹安装、大广场平整等场合[6]。

4.3激光医疗

在医疗领域中，激光技术有着非常广泛的应用，而且已有效地用来提高医疗效果改进病症诊断技术的水平。

如热效应、压力效应、光化效应、电磁效应。

有时,这几种效应在作用时同时存在。

激光医疗主要有几个方面，激光手术刀可以切开皮肤、肌肉和骨胳,而且不出血或少出血,对面部手术特别合适；激光眼科手术，激光用来“焊接”脱落的视网膜,虹膜切除。

激光治疗、激光心血管治疗,炎症的治疗；激光预测癌症、激光杀伤癌细胞；激光整形美容等。

这几个方面都得到了迅速的发展。

4.4激光通信及储存

4.4.1激光通信

激光通信主要是利用激光的单色性和方向性好的特点。

根据传输媒质的不同,激光通信可分为宇宙通信、大气通信、水下通信以及光纤通信。

目前在军事领域使用较为广泛的是大气激光通信。

大气激光通信保密性能好,难以截获和干扰。

军事领域通过激光雷达来实现大气激光通迅。

民用光纤通信的容量很大,且成本低。

目前光纤通信蓬勃发展,已成为最重要的民用领域之一。

激光光纤通讯有容量大，高分辨率的特点，所以才能得以快速的发展。

4.4.2激光存储

对光盘存储而言，激光的发明是光盘存储技术必不可少的基础，它为光盘存储提供了一个有足够功率并且能够汇聚成很小光斑的光源，可以说，没有激光的发明，就没有后来光盘的发明。

激光器的进一步发展，使得光盘存储容量越来越大。

利用激光技术开发的光学信息存储技术是当今存储信息密度最高的技术。

现在开发成功的光学信息存储技术有三类。

激光全息信息存储技术：

这是把激光傅里叶全息图制成直径大约1nm的全息图，排成列阵或像唱片那样排列在圆盘上，一个圆点激光全息记录原本一页纸的内容，一张扑克大小的激光全息信息存储器，可以记录10000多页文件资料[7]。

光盘：

在光盘记录和读取设备中，光学系统可将激光会聚成比针尖还小的光束，用这样的光束在介质上记录的信息点的空间尺寸非常小。

光盘存储数据不仅数据记录密度特别大，而且从光盘检索和读取数据的速度非常快[8]。

近场光存储技术：

提高信息存储密度的最主要困难是传统光学系统的最小光斑受衍射极限制约。

4.5光计算

光波有并行性，又可以交叉，几束光在一起不发生相互影响，电流就没有这个性质。

因此，利用光波代替电流构造计算机会获得更高的计算速率和容量。

现在已设计出两种光计算机，模拟光学计算机和数字光学计算机。

4.6激光在农业、林业、畜牧业的应用

激光在农业中的应用具有巨大的潜力和广阔的前景，如激光育种，激光育种属于光诱变，与自然突变相比显著缩短了时间。

利用激光，调节适当的亮度对农作物生长期照射处理，既能提高产量，又能培育出新品种。

在林业方面，美国科技人员发明的激光成像装置可以发射低能激光脉冲,并记录反射光束返回的延误时间。

该装置安装在直升飞机上,激光束能扫描飞行的垂直方向,自动搜寻树木,避免在果树间的空地上喷洒农药,因此可节省农药40%，既节省资金,又减少环境污染[9]。

在畜牧业方面的应用，经激光照射过的草料特别容易被消化吸收；而经过氦氖激光照射过的山羊精子可有效延长存活时间,这对于通过人工授精方法繁殖牲畜有着十分重要的意义。

激光技术也能提高渔业生产能力，孵化前用激光照射蛋种，可以提高孵化率，。

激光照射可以改善鱼的生活习性，提高它对生活环境的适应能力及抗病害的能力。

4.7激光与能源

随着经济的持续发展，人们对能源的需求在迅速地增长。

能源现已成为社会发展中的重要问题之一。

而激光具有高亮度的特点，在能源利用上有其独特的优势。

激光与核能利用紧密相关：

一是利用激光分离同位素，用于核燃料的提纯；二是激光核聚变。

激光分离同位素。

现在提高235U浓度的方法有气体扩散法、热扩散法、电磁法、气体离心法等，它们都是基于同位素原子质量的微小差别进行的。

这些方法的主要缺点就是分离系数较低，工作过程中耗能大。

激光的单色性相当好，利用不同的同位素原子光谱的同位素位移可选择性地激发、电离其中某种同位素原子，然后再利用物理或化学的方法提纯。

用这种方法可以达到纯度高、运转能耗低的效果。

激光核聚变。

最理想的能源应是既洁净又取之不竭的核能,这当然是聚变能的利用。

激光核聚变是利用高功率光束作用于由氘和氚制成的靶丸，使二者发生聚合，同时放出巨大的核能量的技术。

据估计,地球海洋中的聚变资源可够人类用千亿年,可以说是取之不尽,用之不竭,同时又不会污染环境的能源。

可见,可控聚变核反应是一个非常理想的核能来源,已引起各国科学家的高度重视,但尚未能够做成实用的能源来发电。

激光除以上两种用法外，其实激光本身也具有能量，激光传输不需要介质,因而可作为远距离作用能源。

利用激光远距离给电池充电。

4.8激光在军事上应用

在军事领域，激光可用于实施常规打击，航空航天中的点推进控制燃烧，侦察与反侦察，精确制导，保密通信和飞行器姿态定位等[10]。

激光武器：

激光武器是利用高能激光束摧毁目标或使之失效的定向能武器。

激光对目标的破坏作用大致分为软破坏和硬破坏种：

软破坏是指用激光摧毁目标的易损部件如光电传感器，硬破坏是指用激光破坏目标的金属部件等硬部件。

激光武器与常规武器不同，其优点主要体现在激光束以光速传播,射击时一般不必考虑提前量,命中率极高没有后坐力,迅速变换射击方向,可在短时间内拦击多个目标。

航空航天：

激光在航空航天领域有着广泛的应用，现今处于研究前沿的是激光点火、推进和控制燃料的技术。

激光侦察与反侦察：

激光侦察与反侦察的手段主要有激光测距、激光雷达、激光报警、激光隐身等。

激光制导：

激光制导是以激光作为传递信息的工作物质的制导，依靠寻的器，自动跟踪激光目标指示器射向目标反射回来的激光束。

激光目标指示器发射的激光始终瞄准所要攻击的目标，弹头的光探测器锁定在反射激光束上。

探测器接收的信息经处理控制尾翼，使导弹调整其飞行路线，精确命中所要攻击的目标。

激光制导以其具有投掷精度高、捕获目标灵活，导引头成本低、抗干扰性能好、操作简单等优点被各国军事家所看好。

飞行姿态定位：

激光对移动目标的姿态定位分析主要是依靠激光陀螺仪。

激光陀螺仪是以双向行波激光器为核心，依靠环行波激光振荡器对惯性角速度进行感测的量子光学仪表，是一种高精度的惯性元件。

4.9激光用于科研领域

激光在科研领域的应用主要有以下几个方面。

激光光谱分析,超微量分析；激光化学，激光催化、激光化合与分解等；激光物理学超快过程的研究；激光生物学过程的研究，如叶绿素光合作用、遗传基因,泊中能盆的转移等；激光全息照片,无损检测、激光全息光栅、全息电影、激光全息防伪、激光宝石、全息艺术品。

4.10激光在文化领域的应用

激光在文化领域应用也很广泛，而且和我们的生活息息相关，可以说激光就在我们身边。

如激光打印机、激光彩色复印机、激光分色机、激光文字照排系统；激光大屏幕图象显示未舞台效果、夜空构图,激光水幕成象,激光烟花等；激光雕琢,宝石、钻石打孔等。

5激光技术的发展前景

激光器问世以来,以日新月异的面貌改变着自身的功能,令人膛目结舌,也令人刮目相看新型的激光器正有待于我们去发明新的科研、生产领域也等待我们用激光去开发。

激光器的发展，现在正处于高潮，它的发展趋势主要表现在以睛几个方面：

一，从实用角度来看，主要发展小型化、实用化、高效率和价格便宜的激光器件；二，从输出功率来看，功率将越来越大，大功率的激光器近年来不断出现；三，从波长角度看，激光器正向长波长和短波长两面尖刀端发展，如远红外激光器、紫外激光器和更短波长的

激光器；四，从新类型激光器的角度看，首先是准分子激光器发展很快，这种激光器的波长范围很宽，功率可以很大，核激励激光器是一种利用核能来激励工作物质从而产生激光的新型激光器，核激励激光器输出的巨大能量可能用于激光武器、核聚变、远距离能量传输等

激光技术的发展总的来说，将呈三个大方向发展。

首先，在更多、更广的领域实现应用,从硬X射线到太赫兹的整个光波段,随着各种激光器及相关技术研发的成熟和商品化,激光在科学研究、人民生活、国民经济等方面都会有新的成就。

其次,激光将跃上更新更高的台阶,在功率提升、波长延伸、能量与速递增长等方面创新研发水平。

另外,激光技术将在物理、化学、材料、生物、医疗、农业、信息技术等领域得到广泛的交叉学科应用,成为科技前沿发展的锐器。

我国激光产业具有很好的发展前景和潜力，但存在不少问题有待解决。

我国激光产业存在的主要问题有：

核心技术少，很多关键性基础性技术没有解决好,国内激光产业的核心技术大多来自于进口,产品的竞争力不足；产研结合欠佳，很多先进的激光技术没有转换成产业。

创新能力不足,配套能力较差，系统的配套能力不高,创新能力不足,大多是传统结构类型；从技术管理上看,缺少良好的评价体系，缺少国家标准,评价体系“当量”折算不当,