激光原理及其应用

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激光是二十世纪六十年代出现的一种新型光源——激光器发出的光。激光一词的本意是受激辐射放大的光。1960年美国休斯研究实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器，1961年9月中国科学院长春光学精密机械研究所制成了我国第一台激光器。此后，在激光器的研制、激光技术的应用以及激光理论方面都取得了巨大进展，并带动了一些新型学科的发展，如全息光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等，激光还与当今的重点产业——信息产业密切相关。
与激光有关的诺贝尔物理学奖获得者有：1964年，美国汤斯、原苏联巴索夫和普洛霍罗夫因在激光理论上的贡献而获奖。1981年美国肖洛因发展激光光谱学及对激光应用作出的贡献、美国布隆伯根因开拓与激光密切相关的非线性光学共同获奖。1997年美国朱棣文、科恩和飞利浦因首创用激光束将原子冷却到极低温度的方法共同获奖。
1 g  R: R- i3 e( X5 }. k. b激光原理
一．物质与光相互作用的规律
光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。
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  _, T, F$ n: M9 R7 D微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态（或者简单地表述为处在某一个能级上）。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为=△E/h（h为普朗克常量）。
) G# C3 S$ k4 T8 ^/ U  p1. 受激吸收（简称吸收）
处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。
1 _3 V# b4 L5 O: A2 v2. 自发辐射
2 b2 x  g( B4 ^粒子受到激发而进入的高能态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，既使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级（E2）向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率 =（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光。
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3. 受激辐射、激光
  h9 F4 \: z- Q1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。
可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。
8 R' @6 x) C  n/ W) I+ x二．粒子数反转
爱因斯坦1917提出受激辐射，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是，普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。
2 T3 d4 ^) q" x8 Z; {, m4 A当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。
理论研究表明，任何工作物质，在适当的激励条件下，可在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转。激光的应用
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! J# R) e8 k: C激光，作为一种新类型的光登上舞台，带来光学应用技术的革命，在生产、生活、国防的各个方面都有着应用，已成为几乎所有现代技术依赖的手段。仅就常见的应用作简要介绍。

一．激光在自然科学研究上的应用

1．非线性光学效应
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在熟悉的反射、折射、吸收等光学现象中，反射光、折射光的强度与入射光的强度成正比，这类现象称为线性光学现象。如果强度除了与入射光强度成正比外，还与入射光强度成二次方、三次方乃至更高的方次，这就属非线性光学效应。这些效应只有在入射光强度足够大时才表现出来。
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高功率激光器问世后，人们在激光与物质相互作用过程中观察到非线性光学现象，如频率变换，拉曼频移、自聚焦、布里渊散射等。
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2．用激光固定原子

气态原子、分子处在永不停息的运动中（速度接近340m/s），且不断与其它原子、分子碰撞，要“捕获”操纵它们十分不易。1997年华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却到极低温度，使其速度比通常作热运动时降低，达到“捕获”操纵的目的。
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具体作法是，用六路两两成对的正交激光束，沿三个相互垂直的方向射向同一点，光束始终将原子推向这点，于是约106个原子形成的小区，温度在240μK以下。这样使原子的速度减至10m/s量级。后来又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在约1s内从控制区坠落后被捕获。

% p$ I* Z* `, M- m: {此项技术在光谱学、原子钟、研究量子效应方面有着广阔的应用前景。
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二. 激光测距 激光雷达 激光准直
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利用激光的高亮度和极好的方向性，做成激光测距仪、激光雷达和激光准直仪。

激光测距的原理与声波测距原理类似，因为光速c已知，只要测量从激光发射至接收到从物体反射回来的激光的时间间隔即可。

激光雷达与激光测距的工作原理相似，只是激光雷达对准的是运动目标或相对运动目标。利用激光雷达又发展了远距离导弹跟踪和激光制导技术，这些在1991年海湾战争中都已投入实用。激光制导导弹，头部有四个排成十字形的激光接收器（四象限探测仪）。四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向飞行；有一个接收器接收的激光少了，它就自动调整方向。另一类激光制导是用激光束照射打击目标，经目标反射的激光被导弹上的接收器收到，引导导弹击中目标。
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8 e, O% ~# a! b7 H% S激光准直仪起到导向作用，例如在矿井坑道的开挖过程中为挖掘机导向。激光准直仪还被用在安装发动机主轴系统等对方向性要求很高的工作中。

三．激光用在加工领域
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2 L1 I! _, B8 T) i8 L( N以激光良好的单色性和相干性为基础。激光全息技术可以用作无损探伤，即不用损坏零件便可检测出零件内部的缺陷。
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1 b- @2 {/ B- L利用激光的亮度高和方向性好可以在机加工领域大有作为。如可以在零件上打一般钻头不能打的异形孔和尺寸达微米级的小孔。利用激光进行切割，具有速度快，切面光洁，不发生形变的特点。激光焊接可焊一般焊接法不能焊的难熔金属。还可以利用激光亮度高、能量集中、可通过理论计算进行控制的特点对金属工件表面进行改性处理。
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四. 激光信息处理

激光技术能大幅度提高信息处理能力，特别是引入激光全息技术后。

全息技术是1948年英国科学家盖伯提出的一种新成像原理。“全息”一词引自希腊语，是“完全”的意思。但由于当时没有好的相干光源，因而无法获得好的相干像片。激光的出现，使全息术飞速发展成为一个新领域，盖伯因此获1971年诺贝尔物理学奖。
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1 ?' Z8 n* J- k( E6 l% O' v, Y% G普通照相的原理是，物体表面发出的光经过透镜成像落到感光底片上，底片记录下物体的光强分布，再翻印到相纸上，呈现出物体的平面图像。普通照相只记录了物体表面的光强分布，没有记录到物体各部分到观察者的远近和角度，即没记录下物体发出光线的相位分布，这样的像没有立体感。
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全息照相是用相干光照射物体，从物体反射或漫射的光不是经透镜成像而是直接照射到全息底片上，用干涉图样把那些光的光强分布和相位记录下来。底片上并没有被拍物体的形象，在显微镜下看到的是一幅长短不一、间距不等、走向不同的复杂干涉条纹，称为全息图。
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& J. m3 e4 b( ]7 r, k5 Q要想看到物体形象，再用相干光按一定方式照射全息图，便在一定方向可看到物体的像，称为再现。再现的是从物体反射或漫射的光束本身，所以像是立体的。
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光刻技术，如光刻集成电路、光盘。光盘的外形有点像唱片，写入读出的原理也和机械唱片差不多，只是用激光束来代替唱针，因为激光的相干性很好，用聚光系统可以把激光聚焦成比针头还细小的光束，所以它在介质上写入信息所占空间尺寸可以非常小（小于1nm）因而信息存储密度很大。CD、DVD盘是用声音调制了的激光束刻制光盘，由于在读写光盘时光点与光盘无机械接触，就不存在由摩擦引起的杂音，同时也无磨损，因而光盘音质佳、寿命长。

$ \  m+ P5 J2 z) L* P, Q  z+ ^五. 激光通信
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激光通信也是利用激光束单色性好，方向性好的特点。
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要想提高传递信息容量比较有效的办法是提高载波的频率，如用波长10cm的电波代替波长100m的电波，通信容量可以提高1千倍，所以从19世纪开始不断发展短波通信。最初使用波长几千米的无线电通信（长波通信），后来发展为波长几百米的中波通信，20世纪50年代又发展厘米级的微波通信，波长再缩短进入光波波段，光波的频率在1014HZ-1015HZ之间，厘米波的频率是1010HZ左右，所以光波通信的容量又比微波通信提高1万倍到10万倍。

$ I9 k/ z- h" }普通光源发出光波是不能作通信载波的，因为普通光源发出的光单色性不好，若用这种光波作载波，相当于同时有多套频率的节目到达接收器。激光提供了单色性很好的光波，光波通信才进入实用化阶段。
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利用光波作载波的通信方法与微波通信类似，激光器输出的光束经过光电调制器调制后送到发射天线（一只光学反射镜）发射出去。在用户接收端，接收天线（也就是反射镜）把传送过来的光信号汇集到光电接收器上转换为电信号，再经电放大和解调后就可以得到所传递的信息。在实际应用中为避免光波在大气中传播的损失，光信号是在光纤内传递的，光信号在光纤中的损耗很小。
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现在发展的光计算机是用光波束代替电流构造计算机，会获得更高的运算速率和容量。

: y7 Z8 n% K+ u$ w在显示技术上，激光液晶大屏幕将代替阴极射线管，有可能成为21世纪电视的主角。

六. 激光的生物应用

7 z% x7 I& H; J生物育种上可以采用“诱发育种”方法培育良种。诱发育种有化学诱变、核辐射诱变、光诱变等。激光照射属光诱变。生物组织吸收激光能量后，将会使生物体发生光-生物热效应、生物光压效应、生物光化学效应、生物电磁效应和生物刺激效应，由此引起生物遗传异变。我国已用激光照射种子培育新品种，改善品质。

0 E2 Z* N4 f5 g4 s3 `* T七. 激光用于医学领域
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利用高亮度激光束产生的热效应以及单色性好的激光束产生的生物效应可以治疗疾病，现在激光技术已成为医学中的新技术，开始形成一个新的医学分支——激光医学。主要应用有：
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4 G3 F; v+ W6 X& ^6 I1. 激光刀
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激光刀是通过光学系统聚焦激光束，将其作用于生物体组织，在短时间内使之烧灼和气化。当光束以一定速度移动时，能把组织切开，起到手术刀的作用。激光的能量把组织中的血管、淋巴管烧结封闭起来，减少出血量，在做肿瘤手术时也可防止肿瘤扩散。利用激光脉冲时间短（小于千分之一秒）、激光束很细，可以进行精细的眼科手术，病人的眼睛还来不及转动，“刀”已经下去了。激光刀与手术部位是非接触性的，因而是自身消毒手术。
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! Z$ O3 R1 c3 W4 Z' N: V, `: ?2．激光纤维内窥镜

借助于光纤，可以提高管腔内选择治疗效果。用光纤把激光引入人体内部施行手术，避免一些剖腹大手术。将激光内窥镜插入血管，用激光蒸发动脉粥样硬化斑块，焊接血管；用激光在生物体内产生冲击波可粉碎肾结石、输尿管结石等。
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. `4 q  P  C4 Y' ]) R) T" e3．低功率激光的应用

( ^7 Z8 x# d$ h8 V2 N8 r5 z' L弱激光（功率1W）对生物组织有刺激、镇痛、消炎、扩张血管等作用，用弱激光照射病灶，有治疗效果。利用弱激光照射穴位，可产生类似针炙的效果。低强度He-Ne激光血管内照射可治疗脑梗塞、颈椎病、冠心病等缺血性疾病。

5 V, `0 |" t9 W) k1 I4．利用激光进行基础医学研究和疾病的检测诊断

0 i! G: q! @* C1 a$ L. W  q可以利用相应的激光仪器，研究细胞、亚细胞和大分子的结构以及一些特殊细胞的生物学过程，例如可以借助于激光微束仪，把激光束聚焦到0.5μm-1.0μm，用以切割和焊接细胞，研究生物的遗传规律。

: Y& f. [- W5 T/ y4 p. v! O# |, R$ w激光诊断目前主要是应用激光的光谱技术、干涉技术等，通过对血液、尿液和人体其它组织成分的测定，无损伤地鉴别待测组织是否发生病变。

八. 激光与能源

激光与能源密切相关的应用是激光分离同位素和激光核聚变。
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6 U- B, h  |7 y) c& }- T在第七章提到用235U作核燃料要对铀同位素进行分离，有利用铀核质量不相同的气体扩散法和离心分离法等，由于235U与238U在大小和重量上相差很小分离困难。激光出现后，利用激光的单色性，使235U选择性电离（原子分离法）或选择性离解（分子分离法），达到分离目的。利用激光还可对其它同位素进行分离。

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