谈谈激光的原理及应用.doc

谈谈激光的原理及应用黄志宇 应化1203 0121214450301贺宇峰 应化1203 0121214450302邓应霖 应化1203 0121214450303摘要： 受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源可称为激光，而运用激光的核心是激光器，激光器种类繁多，主要由泵浦、工作物质和光学谐振腔三部分组成。正是由于激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好、波长范围广等特点而被人们广泛运用到化学、医学、农业、军事等方面。关键字：激光、技术、应用正文： 激光，又名“镭射”、“莱塞”，在1960年正式问世。但人类对于激光的认识却己有100多年。1893年，波尔多中学物理教师布卢什就己经指出，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。1917年爱因斯坦提出受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象:当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了激光原理，即受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源1。 激光的功率在空间高度集中，激光的亮度是普通光源的上百万倍。 且单色性能远好于普通光源，最普通的氦氖激光器的谱线宽度要比曾经作为长度基准器的氢灯高6个数量级。现已发现的激光工作物质有几千种，波长范围从软X射线到远红外。激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好、波长范围广等特点使激光得到广泛运用。而运用激光技术的核心是激光器，激光器基本由三大部分组成，如图1所示。泵浦源主要是以光、电、热或化学方式激励能产生激光的介质工作物质。而工作物质S则包含能产生激光的粒子，这些粒子可以是原子、分子或离子等，并且这些粒子的存在形式可以有有气态、液态或固态。光学谐振腔是由两块相对位置经过精细调节的反射镜M1、M2组成，其中M1对激光全反射，M2是部分反射，激光经过它进行输出。激光器的种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。根据不同的使用要求，采取一些专门的技术提高输出激光的光束质量和单项技术指标，比较广泛应用的单元技术有共振腔设计与选模、倍频、调谐、Q开关、锁模、稳频和放大技术等。图1：激光器组成原理示意图2 多年来激光的应用大致可分为三个阶段3：第一阶段(19601970)是扩展激光器品种，提高激光器性能，探索应用的阶段。没有形成产业，没有形成批量商品，只是实验装置，研制样机。在这个阶段，军事应用的研究开发占很大比重。第二阶段(19701980)应用探索中有了重大突破，最重要的是低损耗光纤的突破，激光制导炸弹和火炮激光测距机，激光加工实用化。远期应用可行性研究开始了，主要有激光同位素分离，激光核聚变，X光激光。从应用角度筛选出有市场批量需求甚至可形成产业的激光器，结果却发现品种非常有限的。第三阶段(1980至今)可以说是激光应用辉煌的时间。主要是指在信息领域的应用得到全面扩展，并形成相当规模的激光光电子产业。远期应用取得重大进展，激光同位素分离技术达到工业化要求，激光核聚变的物理可行性研究取得重大进展，X光激光问世，新的化学激光体系出现，半导体激光兴起，量子阱激光器出现。目前激光技术已能取得1013瓦以上的高强度辐射，10-10分辨率的单色光、10-13秒的超短光脉冲，并使激光能在可见和红外的大部分区域实现连续可调。 现阶段固体激光器的亮度更可高达1011Wcm2Sr。不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。而激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。而且单色性的激光保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。正是这些高质量的指标充分体现了激光技术发展的深度，同时也是激光应用发展的基础。激光在化学上的应用正在大力发展，目前主要包括:选择性光化学反应，激光分离同位素，瞬态光化学，超快速过程及微量物质的测定等方面4。而在军事应用方面，主要发展了以下五项激光技术：一为激光测距技术，它能迅速准确地测出目标距离，广泛用于侦察测量和武器火控系统。二是激光制导技术，运用它能制造精度高、结构比较简单、不易受电磁干扰的激光制导武器。三为激光通信技术，它具有激光通信容量大、保密性好、抗电磁干扰能力强的特点，其中传输速度快、容量大的光纤通信已成为通信系统的发展重点。四为强激光技术，人们用高功率激光器制成的战术激光武器，可使人眼致盲和使光电探测器失效并利用高能激光束可能摧毁飞机、导弹、卫星等军事目标。五为激光模拟训练技术，即利用激光模拟器材进行军事训练和作战演习，不消耗弹药，训练安全，效果逼真，现在在各种武器的射击训练和作战演习中广泛应用。激光手术刀具有术中出血少、减少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的光针，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。激光还能是画家和雕刻家手中的光笔和雕刻刀。艺术家们利用激光束这得心应手的画笔和刻刀，在各种纸板、术板、石板、玻璃板和金属板上进行绘画和雕刻创作，可以借助于激光束的强度、聚焦和散焦的变化，创作出完美的独具风格和特色的作品来;还可以借助于计算机辅助设计技术，对所创作的作品进行修改。此外，激光还可以用来修复名画，使己经黯然的画面恢复其青春的光彩。1人们还利用激光研究农作物病虫害的防治避免了化学药物对大气、水源和上地的污染，而且不污染粮食、蔬菜和水果。激光在农副产品的储藏和保鲜方面，在对农作物收获进行预报和估产及其他方面，都有用武之地。尽管对于激光的应用已十分广泛，但目前我国在激光的应用发展中还存在国内激光产业的核心技术大多来自于进口导致产品的竞争力较低；激光学术研究与产业模式不匹配造成学术成果应用率低的现象；缺少国家标准对产品进行评价等不