毕业论文-激光技术与光存储设备的发展.doc

编号： 0710156 毕 业 论 文 （ 2011 届本科）题 目： 激光技术与光存储设备的发展 学（部）院： 物理与机电工程学院 专 业： 物 理 学 作者姓名 ： 指导教师 ： 职称： 副教授 完成日期 ： 2011 年 5 月 28 日二一一年五月目 录河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明3河西学院本科生毕业论文（设计）任务书4河西学院本科毕业论文（设计）开题报告6激光技术与光存储设备的发展90 引言100.1 激光技术与应用100.2 光存储设备简介111 激光与激光原理111.1激光的由来111.2 激光的产生原理121.3 激光的特点162 激光技术与激光技术的应用182.1 激光技术182.1.1调Q(Q开关)技术182.1.2超短脉冲技术192.1.3激光放大技术202.1.4模式选择技术222.1.5稳频技术232.1.6激光传输技术242.2 激光技术的应用242.2.1激光技术在医学领域的应用242.2.2 激光技术在工业领域的应用262.2.3 激光技术在加工领域的应用272.2.4 激光技术在农业领域的应用282.3 激光技术的发展前景展望293光存储设备的发展303.1 光存储设备的发展303.2 光存储设备的发展前景展望314 总结32参考文献33致谢35文献综述36河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表39河西学院物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表40河西学院毕业论文（设计）指导教师评审表41河西学院本科生毕业论文（设计）答辩记录表42河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：二一一 年五月二十八日河西学院本科生毕业论文（设计）任务书论 文 题 目激光技术与光存储设备的发展作 者 姓 名邹喜仁所属二级学院、专业、年级物理与机电工程学院物理学专业07级指导教师姓名、职称董光兴、副教授任务下达日期2011.3.1一. 论文（设计）的主要内容 本论文主要讲述的是激光技术的原理和一些主要的特性。然后介绍现如今激光的主要一些技术，和激光技术在现实生活中的一些主要应用，对我们生活所带来的种种好处和便利。最后，介绍光存储设备的一些发展和前景展望。二. 论文（设计）的基本要求1. 查阅文献。2. 阐述激光的原理与激光的一些重要的特性。3. 介绍激光技术在一些领域里面应用。4. 论述光存储设备的发展和一些前景的展望。 三. 论文(设计)进度安排阶段论文（设计）各阶段名称起止日期一查阅相关文献，确定题目，写出开题报告11.3.01-11.3.08二查阅本论文有关的文献，写出文献综述。11.3.09-11.3.15三进行理论分析。11.3.16-11.3.25四撰写论文的理论部分。11.3.26-11.4.25五依据理论公式进行计算并得出结论，写出初稿，进行修改并定稿。11.4.26-11.5.25四.需收集和阅读的资料及参考文献（指导教师指定）1 姚启钧.光学教程(第四版)M.北京:高等教育出版社.2008.62 褚圣麟. 原子物理学M.高等教育出版社.1979.13 俞宽新,江铁良,赵启大.激光原理与激光技术M.北京:北京工业大学出版社.1998.3教研室意见负责人签名： 年 月 日系（部） 意 见负责人签名： 年 月 日河西学院本科毕业论文（设计）开题报告论 文 题 目激光技术与光存储设备的发展作 者 姓 名邹喜仁所属院、专业、年级 物理与机电工程学院物理学专业07级指导教师姓名、职称董光兴、副教授预计字数16000开题日期11. 3.1选题的根据：1）说明本选题的理论、实际意义 2）综述有关本选题的研究动态和自己的见解本论文主要论述的是激光技术和光存储设备的一些发展，而现如今，科技是日新月异，不断的有各种各样的新产品的问世，而这些科技的进步和发展，却离不开激光技术的发展和成熟。所以选择这个题目具有很现实的依据和对自己的知识的一种补充和积累。我所选的这个题目主要研究的方向就是：研究激光的原理及其特性，论述激光的一些主要技术，和其激光技术在我们现在生活领域里面的一些应用。最后对现在的一些主要光存储设备做了一些简单的介绍和光存储设备的一些发展现状做了一些说明，然后对光存储设备的发展前景做了一些展望。主要内容及其主要的研究方法：本论文论述的是现在已经很成熟的激光技术和光存储设备的发展，所以，本论文主要采用的查阅各种文献，对现用的这些资料进行相应的分析和讨论。完成期限和采取的主要措施：完成期限：2011.3.12011. 5.28主要措施：1. 根据激光的基本原理进行理论分析。2. 撰写论文的理论部分。3. 阐述现今的激光技术在一些领域里的应用。主要参考资料：1 姚启钧.光学教程(第四版)M.北京:高等教育出版社.2008.62 褚圣麟.原子物理学M.高等教育出版社.1979.13 俞宽新,江铁良,赵启大.激光原理与激光技术M.北京:北京工业大学出版社.1998.33 安毓英.第一章激光的产生及其特点J.激光与红外.第32卷(第2期).2004.4.1241274 安毓英.第三章实用激光技术(一)J.激光与红外.第32卷(第4期).2002.8.1241275 安毓英.第三章实用激光技术(二)J.激光与红外.第32卷(第5期).2002.10.359362指导教师意见：签 名： 年 月 日教研室意见负责人签名： 年 月 日系（部） 意 见负责人签名： 年 月 日激光技术与光存储设备的发展摘 要：激光是英文词“Laser”的中文译名1，激光具有高度的单色性、方向性、相干性、瞬时性和高亮度等特性。本论文主要通过介绍激光的产生原理和激光的特点来阐述激光和激光技术的各个领域的应用：首先，通过介绍激光的调Q（Q开关）技术、超短脉冲技术、激光放大技术、模式选择技术、稳频技术、激光传输技术等激光技术；其次，介绍了激光技术在工业领域、医学领域、加工领域、农业领域等各个领域的应用，并对激光技术的发展前景做了展望；最后，介绍现在市场上的一些主要的光存储设备及其发展，并对光存储设备的发展前景作了一些分析。通过这些分析和介绍，使人们对激光技术及前景有一个相对全面的了解，为更进一步从事相关方面的工作提供一定帮助。关键字：激光；激光技术；光存储设备；应用；激光器中文分类号：O439 文献标识码：ALaser technology and optical storage equipment developmentAbstract: Laser is the English word Laser Hansard1, the laser has a high degree of monochrome, directional, features such as coherence, transient and high brightness. This papers main by describes laser of produced principle and laser of features to explained laser and laser technology of each area of application: first, by describes laser of adjusting Q (Q switch) technology, and super short pulse technology, and laser zoom technology, and mode select technology, and stability frequency technology, and laser transmission technology, laser technology; second, describes has laser technology in industrial area, and medical area, and processing area, and agricultural area, each area of application, and on laser technology of development prospects do has prospect; last, describes now market Shang of some main of light storage device and development, and light storage device of development prospects for has some analysis. Through the analysis and presentation, make people have a relatively comprehensive knowledge and prospects of laser technology, provides a help for further engaged in related areas of work. Keywords: Laser; Laser technology; Optical storage equipment; apply; optical maser0 引言 激光是英文词“Laser”的中文译名1。Laser 一词是“Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation”的字头缩写。字面的意思是“通过辐射的受激发射实现光放大”，实质是光的受激放大，简称为激光。不过，由于激光也是光，而且只能是激光器发出的光，而激光器是光频电磁振荡器的意思。所以曾有人建议把Laser改为Loser，“O”代表“Oscillation”。即建议把“光的受激发射放大”改为更确切的“光的受激发射振荡”。不幸的是，Loser 有失败的意思，所以仍尊重历史习惯保持Laser 一词不变，而意思可理解为“激光振荡器”而不是字面上的“光受激放大器”。因此，大家约定，Laser一词有时可译为激光，有时可译为激光器。0.1 激光技术与应用激光是20世纪60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特点而得到广泛应用，人们所发现的激光工作物质有几千种，波长范围从软X射线到远红外激光技术的核心是激光器，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。激光因其具有方向性好、单色性好、和高亮度等特性16，所以在我们生活中的各个领域都有所应用，其主要应用领域是：激光的加工领域、农业领域、医学领域和军事领域。激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一，现在已开发出20多种激光加工技术。激光加工是利用高能量密度激光束照射工件，将材料加热、熔化、气化的一种无机械接触的加工方法。由于激光束能被聚焦成功率密度达的微小光点，因而几乎可以加工所有的金属和非金属材料，包含各种坚硬的高熔点材料。激光加工的应用范围十分广阔，目前已在机械、电子、汽车、航空航天、钢铁、造船、军工等行业获得较为广泛的应用，比如汽车制造业，就有一半左右的零件已经采用或者可以采用激光加工。目前使用的激光加工工艺方法主要包括：切割、焊接、打孔、打标、雕刻、划线、表面处理（相变硬化、快速熔凝、合金化、涂覆、非晶化、冲击硬化、化学气相沉积、物理气相沉积）和微调等等。而为了满足军事应用的需要，激光主要发展了激光测距技术、激光制导技术、激光通信技术、强激光技术和激光模拟训练技术等5项激光技术。又因为激光的特性，激光可以进行高精度的手术、控制出血并能够对机体组织消毒，因此，它对解决癌症、眼球疾病、打鼾、痣、纹身、胎记等问题都具有十分重要的价值。所以激光在医学领域的用途广泛，其主要是在牙科学、心脏病学、医学研究、非损伤性诊断和癌症等45。0.2 光存储设备简介从1982年世界上第一张致密音频压缩盘（Audio Compact Disc）诞生以来，伴随光存储技术的进步，光存储设备不断有新成员加入。光存储设备现在主要有CD光驱、DVD光驱、CD刻录机、DVD刻录机、Combo。而随着CD光驱、DVD光驱、CDRW刻录机的持续发展，技术逐步的成熟，近年来光存储设备的价格屡创新低，价格已经非常的亲民，而曾经让多少人可望不可及的DVD光驱、CD-RW光驱也非常的便宜。在速度方面，市场上的主流CD光驱和CDRW刻录机已经达到了52X，DVD光驱则达到了16X。这时候，这三种产品可以认为已经非常的成熟，价格的下调空间和速度提升空间已经开始变小，转入了平稳期。1 激光与激光原理1.1激光的由来激光是英文词“Laser”的中文译名。Laser 一词是“Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation”的字头缩写1。1916年爱因斯坦提出的“自发和受激辐射”理论是现代激光系统的物理学基础。但是，在此之后的40多年里，一直没有人在实验室证实受激辐射的存在。20世纪50年代由于无线电技术的迅速发展，Schawlow和Townes依据爱因斯但的理论，将电磁波的研究范围从短波扩大到微波波段，研究成功了当时被称为MASER的一种仪器，即微波激射器，又称微波量子放大器，这种设备可使微波束更趋于集中。1958年，他们又将微波激射器原理从微波扩大到了光谱波段，提出了激光器理论。此时，Theodore Maiman也正在进行这方面的研究，1960年，他成功地应用人工合成的淡红色宝石晶体制造出世界上第一台激光器，为输出波长694.3nm，脉能400mJ的相干光，被称做激光。为了表明其威力，Maiman用毫米波的脉冲激光在一打剃须刀片上成功地进行了一次钻孔实验。之后的4年里，激光器家族又相继出现了许多种类型： 1961年，Java等研制成功了波长1150nm、近红外线的氦氖（HeNe）激光器；同年，Johnson发明了掺铷钇铝石榴石（Nd ：YAG）激光器；1962年，Bennett研制成功了波长为488nm的氩（Argon）激光器；1964年，Pate等又发明了二氧化碳（CO2）激光器。随后，多种固体、气体和半导体激光器相继问世，标志着一门新兴学科激光技术的形成。1.2 激光的产生原理电磁辐射图1.1 空腔辐射体 黑体辐射的Planck公式：任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。而黑体就是能够完全吸收任何波长的电磁辐射的物体。如右图所示。而当物体处于热平衡状态时（黑体吸收的辐射能量 = 黑体发出的辐射能量）单色能量密度3,78：再由Planck辐射能量量子化假说可以得出3,78： （1） 而激光器也是一种光源，它与普通光源差别何在呢？爱因斯坦关系不仅回答了这个问题，而且奠定了激光发明的理论基础。所谓爱因斯坦关系，是指爱因斯坦重新研究黑体辐射定律时所揭示的由发光物体特性决定的一组关系式78： （2） （3）正是这组关系式，给出了激光发射的可能性。 描述普通热光源（视为黑体）发光特性的普朗克公式是: (4)式中表示黑体腔内在温度T下在频率处单位频带中辐射的能量密度； （5）表示频率V处单位频带中光波模式（或光子态）的数密度，c是光速；表示一个光波模式（或一个光子态）中平均分布的光子数目，亦称光子简并度，且 (6)这里是一个频率为的光子的能量，其中h为普朗克常数，是玻尔兹曼常数。式(4)已被所有实验证实，但没有回答光场与黑体之间的相互作用是怎样进行的。爱因斯坦提出这个相互作用是按照三个过程进行的，即自发辐射、受激吸收和受激辐射过程。光场用代表，黑体腔用、两个能级及相应的粒子数、代表。相互作用结果用、 随时间的变化粒子数方程体现。自发辐射是指处于上能级E2上的粒子本能地或自发地以几率A 21向下能级E1跃进,同时发射一个光子,称为自发辐射光子1,318。其运动方向、偏振状态、初相位完全是随机的，人工无法控制，普通光源就是这种性质，所以自发辐射一定是一种非相干光。其辐射的图如下图所示：发光前发光后图1.2 自发辐射E2E1受激吸收是指在作用下，只要 条件满足，粒子将吸收这个光子而从上跃到，结果是减少而增加1,318。对大量粒子而言，哪一个粒子能发生这个上跃迁是完全随机的，其上跃迁几率，其中B12称为爱因斯坦上跃迁系数，由物质性质决定。其吸收的图例如下图所示：吸收前 吸收后图1.3 受激吸收E2E1受激辐射是指在作用下，只要条件满足，上的粒子在还来不及自发下跃迁时将在外来光子的作用下受激地向跃迁,同时发射一个与外来光子全同的光子，即频率、相位、偏振和运动方向完全相同1,318。受激发射几率，其中B21称为爱因斯坦受激下跃迁系数。其受激辐射的图例如下图所示：E2E1图1.4 受激辐射吸收前吸收后 当外来光子的频率满足时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。 在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这两个光子又可以去诱发其它发光粒子，产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态相同的光子，这种现象称受激辐射光放大。由于受激辐射产生的光子都属于同一光子态，因此它们是相干的。通常，受激辐射与受激吸收两种跃迁过程是同时存在的，前者使光子数增加，后者使光子数减少。当一束光通过发光物质后，究竟是光强增大还是减弱，要看这两种跃迁过程哪个占优势。在正常条件下，即常温条件以及对发光物质无激发的情况下，发光粒子处于下能级的粒子数密度大于处在上能级的粒子数密度。此时当有频率等于的一束光通过发光物质时，受激吸收将大于受激辐射，故光强减弱。如果采取诸如用光照、放电等方法从外界不断向发光物质输入能量，把处在下能级的发光粒子激发到上能级上去，便可使上能级的粒子数密度超过下能级的粒子数密度，我们称这种状态为粒子数反转。只要使发光物质处在粒子数反转的状态，受激辐射就会大于受激吸收3,4,6,8。当频率为的光束通过发光物质，光强就会得到放大。这便是激光放大器的基本原理。即便没有入射光，只要发光物质中有一个频率合适的光子存在，便可像连锁反应一样，迅速产生大量相同光子态的光子，形成激光。这就是激光振荡器或简称激光器的基本原理。因此可见，形成粒子数反转是产生激光或激光放大的必要条件，为了形成粒子数反转，须要对发光物质输入能量，我们称这一过程为激励、抽运或者是泵浦。1.3 激光的特点 激光器具有与普通光源很不相同的特性，一般称为激光的四性：单色性好、方向性好、相干性好以及能量集中。激光的这些特性不是彼此独立的，它们相互之间有联系。而这些特性为：（1）、单色性：光源的单色性由光源谱线的绝对线宽或相对线宽R来描述17，即 （7）式中：输出激光的中心频率 输出激光的频率范围。利用，不难证明光波波长描述的相对线宽R为17: （8）式中: 输出激光的波长范围； 输出激光的中心波长。 一般光源的线宽是相当宽的。既使是单色性最好的氢灯，线宽也有10Hz-10Hz。而激光的线宽相当窄。单纵棋激光器的谱线宽度存在一个理论极限，如氦-氖激光器的线宽极限可以达到约10Hz的数量级，显然这是极高的单色性。(2)、方向性: 光源的方向性由光束的发散角来描述，普通光源发出的光是向各方向传播的，发散角很大。激光的发散角却很小，它几乎是一束平行光。若将一束激光射到几千米处，光束扩散的直径还不到10cm。而使用具有抛物形反射面的探照灯，也要扩散到几十米。根据光的衍射理论，任何光通过输出孔径时都要产生衍射，衍射角的大小与光波长成正比，与孔的直径成反比，即 (9)而单基横模激光器的光束发散角为16： （10）式中：d激光腰直径 激光的波长。 比较（9）式与（10）式，说明激光的发散角已很接近衍射极限值。例如一个腰直径为3mm的氦氖激光由（9）式计算出的衍射角极限为210rad，由（10）计算出的发散角为310rad。激光的方向性与振荡模式、腔长、工作物质等都有关系。基横模的发散角最小，横模的阶次越高，发散角越大。因此，采用适当的选横模技术，使激光器工作在基横模状态是有利于改善激光的方向性的。谐振腔越长，激光方向性越好。在各类擞光器中，气体激光器的方向性最好，固体激光器次之，半导体激光器最差。（3）、相干性：激光器的相干性能比普通光源要强得多，一般称激光为相干光，普通光为非相干光。相干性有时间相干性与空间相干性之分，现在分别来讨论激光的这两种相干性。因为，激光的线宽非常窄，故它的时间相干性比起普通的好得多。对于空间相干性，主要是指横向空间相干性，它与光源的方向性相联系。对于普通光源来说，它所发出的光分属众多的模式，只有在一定范围空间中的光子才是相干的。对于激光来说，只有属于同一个横模模式的光子才是空间相干的，不属于同一横模模式的光子则是不相干的。因此，激光的空间相干性由激光器的横模结构所决定。如果激光器是单横模，则它是完全空间相干的。如果激光器是多横模，则它的空间相干性能变差。此外，在前边所叙述的激光方向性中，谈到过单基横模的方向性最好，横模阶次越高方向性越差。这表明激光的方向性越好，它的空间相干性程度就越高。（4）、能量集中性：衡量光源能量集中程度可用亮度来定义17，即 （11）式中：S光源表面积；光源发射的光束立体角；t发光时间；E t时间内从光源发射到立体角范围内的能量。 普通光源所发出的光是连续的，并且射向四面八方，能量非常分散。即使用透镜进行聚焦，也很难将全部能量汇聚到很小的范围内，故亮度不高。激光器发出的激光方向性好，能量在空间高度集中。2 激光技术与激光技术的应用 2.1 激光技术2.1.1调Q(Q开关)技术 一台脉冲激光器输出的激光脉冲呈现尖峰结构，由一系列宽度为微秒数量级、强度不等的小脉冲组成。这种未加控制的脉冲激光器有两个严重的缺点；第一、总输出能量分布在一系列小脉冲中，每个脉冲的峰值功率都不高，增大泵浦能量，只能使小脉冲数目增多，而不能有效地提高峰值功率水平；第二、激光输出的时间波形很差，不能满足激光计时系统的需要。而实际应用中，常需要高峰值功率的单脉冲。因此，需要把低峰值功率的一系列锯齿形小脉冲改造成为高峰值功率的单个窄脉冲。激光调Q（Q开关）技术就是为此目的而发展起来的。Q值是电子技术中表征谐振回路质量好坏（损耗高低）的一个描述参量。激光器的Q值正是借用这一概念来表征激光腔损耗大小的。激光腔的损耗大，Q值低，纵模频带宽；激光腔的损耗小，Q 值高；纵模频率宽度窄。一般激光器光腔的损耗是固定的，Q值也是固定不变的。只要增益大于损耗，激光振荡就开始，增益随之降低，形成一个小脉冲。由于泵浦还在继续，增益又增大起来，一超过损耗，第二个小脉冲又形成，如此直到泵浦结束，形成一串小脉冲输出。由此可见，由于光腔Q值固定，粒子反转数即增益无法积累到很高的值，普通脉冲激光器输出只能是尖峰结构。采用一些办法使光腔在泵浦开始时处于高损耗（低Q值）状态，这时激光振荡的阈值很高，反转粒子数即使积累到很高水平也不会产生振荡；当积累的反转粒子数即增益达到其峰值时，突然使光腔的损耗降低（Q值增大），这时激光介质的增益将大大超过阈值，就会极其快速地振荡。这时储存在亚稳态的粒子所具有的能量的大部分会很快转换为光子的能量，光子像雪崩一样以极高的速率增多，激光器便可输出一个峰值功率高、宽度窄的激光脉冲。通常，把这种高峰值功率的单个窄脉冲称为巨脉冲。用调节光腔Q值以获得巨脉冲的技术称为Q开关技术、调Q技术或Q突变技术。而现在主要的Q 开关技术包括：转镜Q 开关、染料Q 开关、电光Q 开关和声光Q 开关2,17,19。2.1.2超短脉冲技术 超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁摸（CPM），以及90年代出现的加成脉冲锁模（APM）或翩合腔锁模（CCM）、自锁模等阶段。自60年代实现激光锁模以来，领模光脉冲宽度为皮秒（10s）量级。70年代，脉冲宽度达到亚皮秒（10s）量级，到80年代则出现了一次飞跃，即在理论和实践上都有一定的突破。1981年，美国贝尔实验室的R.L.Fork等人提出碰撞锁模理论，并在六镜环形腔中实现了碰拢锁棋，得到稳定的90fs的光脉冲序列。采用光脉冲压缩技术后，获得了6fs的光脉冲。90年代自锁模技术的出现，在掺铁蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列17。2.1.3激光放大技术 在某些激光应用中，往往要求激光具有很高的能量（或功率），如激光核聚变至少需要高达上万焦耳的能量，激光雷达需要大功率的调制激光等等。但欲获得高能激光，仅靠激光（振荡）器来获取一般是很困难的，这是因为提高激光器的输出功率（能量）和其他指标（如光束发散角、单色性、脉宽、调制性能等）要求是相矛盾的。故要保持激光束优良的特性，其工作物质的口径和长度都不宜太大。再者激光器内的激光束要多次往返通过工作物质，因此当输出功率（能量）很高时，工作物质就有被破坏的可能。 而利用已介绍的调Q技术，可以获得极高的峰值功率（1010W）2,19，且工作物质有不被破坏的可能。其峰值功率之所以大得惊人，是由于把能量压缩在极短暂的时间内释放出来的缘故。但是这种高峰值功率激光器实际上所输出的能量往往不一定很大。因此，为了获得性能优良的高能量激光，应用激光放大技术则是一种最佳方法。 激光放大器与激光（振荡）器是基于同一物理过程（受激辐射的光放大），其主要区别是激光放大器（行波）没有谐振腔。工作物质在光泵浦作用下，处于粒子数反转状态，当从激光（振荡）器产生的光脉冲信号通过它时，由于入射光频率与放大介质的增益谱线相重合，故激发态上的粒子在外来光信号的作用下产生强烈的受激辐射。这种辐射叠加到外来光信号上而得到放大，因而放大器能输出一束比原来激光亮度高得多的出射光束。激光放大器要求工作物质具有足够的反转粒子数，以保证光脉冲信号通过它时得到的增益大于介质内部各种损耗。另外，为了得到共振放大，要求放大介质有与输入信号相匹配的能级结构。此时，我们采用行波放大技术。而采用行波放大技术有如下优点：其一，由于激光束一次通过放大介质，因此介质的破坏阈值可以大大提高，即在相同的输出功率密度下，放大器的工作介质不易被破坏；其二，当需要大能量激光时，可根据需要采用多级行波放大，放大器逐级扩大激光束的孔径，而每级的工作物质长度可以缩短，这样有利于防止超辐射和自聚焦的破坏；其三，振荡器放大器系统，可由振荡器决定其脉冲宽度、谱线宽度和光束发散角等，而由放大器决定其脉冲的能量和功率，所以二者结合起来，既可以得到较优良的激光特性，又能够大大提高其输出激光的亮度。图1.5为激光器与放大器串接工作的示意图。当第一级输出的激光进入放大器时，放大器内的激活介质应恰好被激励而处于最大粒子数反转状态，即产生共振跃迁而得到放大。激光棒泵浦灯激光振荡器储能器触发器激光棒泵浦灯激光振荡器储能器触发器延时电路图1.5 激光放大器示意图17激光放大器按其放大脉冲信号宽度的不同，可以分为长脉冲激光放大器（也称连续激光放大器）、脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器三种。对于激光放大器，放大介质中激发态的粒子（原子、分子或离子），由于辐射跃迁有一定的弛豫时间，称为纵向弛豫时间，其值随放大介质不同而不相同。如对于晶体和玻璃等固体，由粒子在亚稳态时的寿命决定，为10s；对于气体和半导体，则由允许的跃迁能级的寿命决定，为1010s。另外，放大介质中粒子相互交换能量过程中引起的非辐射跃迁，会使激发态粒子的感应偶极矩有一定的弛豫时间,称为横向弛豫时间。对均匀加宽工作物质，具有谱线宽度倒数的量级，在固体工作物质中，约为10s量级。当激光放大器输入信号的脉宽大于纵向弛豫时间（即T,加一般自由运转的脉冲激光器物出的脉冲宽度可达几个毫秒就能满足此条件）时，由于光信号脉冲与工作物质相互作用时间足够长，而且受激辐射所消耗的反转粒子数可以很快地由泵浦激发所补充，因此反转粒子数密度能维持在一个稳定值附近。这可近似地认为反转粒子数密度不随时间变化，即，而只与工作物质的坐标有关，即。这就可以用稳态方法来研究放大过程。这类激光放大器称长脉冲放大器。2.1.4模式选择技术 一台普通激光器所给出的单色性和方向性一般说来还是不能令人满意的。其原因在于，一般激光器是多模式工作的，即许多模式都能满足振荡条件，模式愈多，单色性和方向性就愈差。因此要提高激光的单色性和方向性，就必须首先限制能够参与振荡的模式数目，这就是激光选模技术的意义1617。激光选模技术可分为纵模选择技术和横模选择技术两大类。纵模选择技术主要决定频率特性，横模选择技术主要决定方向性。下面，本论文讨论一下这两种模式选择技术。纵模选择技术：激光工作介质的增益线宽是有限的，而无源光腔只允许一些分立的频率成分存在，这些分立的频率光场称为光腔的纵模，而且每一纵模的线宽远远小于增益线宽。因此，在增益线宽内就可能有很多纵横满足振荡阈值条件，形成多纵模振荡。如果在增益线宽内只允许一个纵模存在，激光振荡也就只在一个纵模上发生，称为单纵模激光器。单纵模激光器能输出单色性最好的激光束，而实现单纵模的方法称为纵模选择技术。 横模选择技术：横模比纵模要难理解一些。所谓横模是指由于光腔（包括工作介质在内）的横向尺寸限制能允许独立存在的各种光场分布形式。激光模式用符号TEMmnq表示，TEM 表示横电磁波，下标前两个m、n表示x、y方向光场的零线或节线数目，第三个下标q表示纵横代号，这些下标只能取正整数，数目的大小表示模式阶次的高低。图1.6是几种横模光斑花样。从图可见，模式阶次愈高，光场分布越分散，方向性愈差。其中TEM00模能量最集中，方向性最好，称为基横模。图1.6 是几种横模光斑花样192.1.5稳频技术 激光稳频技术是激光物理学、光谱学和电子学高度结合的产物，是随着激光应用的发展而发展的。目前，作为现代科学技术重要标志之一的激光，已经在诸多领域得到广泛的应用，这就为激光稳频技术的发展提供了前提。激光稳频技术是基础科学研究的重要工具，也是尖端科学的关键组成部分，在现代科学技术中发挥着越来越重要的作用。 激光稳频工作的初期，主要集中在参数稳定、工作状态和周围条件的控制方面，但收效不大，其稳定度仅达 10-8 数量级。六十年代中期霜田光一等人提出用甲烷吸收线来稳定激光频率后，光频稳定进入了一个新阶段，激光频率稳定度扶摇直上，很快达到 10-1110-12 数量级。2.1.6激光传输技术 激光传输是研究激光束与传输介质相互作用的一门技术，其主要任务是通过对传输介质光学性质的研究，揭示激光束的传输特性和规律。与其他激光技术一样，也是影响激光工程应用的重要因素之一。传输技术则是通过对传输介质光学特性的研究尽可能地保持激光束的质量而不受传输介质的破坏。激光传输介质可分为天然介质（如大气、水）和人工介质(如各种光波导、光纤等)。地面大气层中激光信息系统涉及激光大气传输技术，激光水下探测涉及激光水下传输技术，光纤通信网涉及光纤传输技术。而现在主要的激光传输技术包括：激光大气传输技术和激光光纤传输技术1213。2.2 激光技术的应用2.2.1激光技术在医学领域的应用 由于激光是一种人造特殊的光，它与一般灯光、太阳光同是电磁波，但其产生机理不同，它是工作物质中原子“受激”发射的光，它的光束中所有光线都具有高单色性、方向性、亮度性和良好的相干性。在医学方面主要是利用激光高亮度、高方向性等特点，激光通过透镜控制聚焦光斑的大小，改变功率密度，使人体某一点上的温度最高可达 2001000，在极短时间内（10-210-3秒）使病变组织凝固、分解，以至熔融和气化。例如在CO2 激光器的输出端可获得聚焦光斑小于0.1毫米，以一定速度移动代替传统的外科手术刀对人体各种软、硬病变组织进行气化切割，而且精度高、伤口小、随时融合，基本上无痛、无菌、少出血。又可以根据需要选择不同波长的激光，调节光斑的大小，覆盖人体病变区域进行照射，透入不同深度进行治疗，或者在计算机与X光等仪器配合下，将激光通过光导纤维导入体内病变器官处进行治疗等等。目前激光已在心脏、癌症、眼、耳、鼻、咽、牙、皮肤、妇科、骨科以及美容等方面开展临床医疗，形成全新的医学分支激光医学。与此同时，各类激光医疗系统设备的设计与制造也日趋势完善，又推进各医学专科激光医疗向纵深发展。所以激光技术在多种医科上的应用非常的广泛，而主要的一些应用包括：激光验血与麻醉、激光眼病治疗、激光焊接与愈合、激光治牙病、激光治疗心脏病、激光治癌症和激光美容等医学领域。 如激光眼病治疗：激光自1961年首先在眼科医疗应用。例如老年白内障是因眼球透明晶体表面蒙上一层云雾状的膜，传统医疗方法是更换晶体，用人眼角膜或人造角膜移植手术使患者重见光明。现用低功率红外激光照射，可迅速将其一层云雾状膜气化剥离，还原透明晶体，恢复视力；又如青光眼症状是眼内流动液体通道堵塞，内部液压过大，以致损坏视觉神经，引起视力模糊失明，现在采用适当波长与能量的激光气化方法，可以打开一个微细通道，使眼内液体获得流动，恢复视力；再如视网膜脱离，同样可以用很细的激光束从瞳孔射入眼内，使病变部分的细胞和蛋白质熔融成胶体状，从而将视网膜重新“焊固”在眼底上，恢复正常视力。以上三种激光治疗，在80年代国外先进国家已临床应用。而现在眼科医生常规仪器是放在眼睛之上的接触式透镜，或是座式透镜，从外部检查患者眼睛内部病情。近来由加拿大安大略省眼科技术学院研制出一种新型眼部内窥镜，其体积直径小于1/3毫米，配以微型数字相机和监视器，医生将窥镜穿过眼白在眼内详细的了解眼内病情。该镜有三组光纤，一组是观察纤维，将窥镜图像送到相机，并由监视器显示；二组是提供强氙或卤素光纤“照亮”眼睛内部；三组是特制空管输送激光用于治疗眼内疾病。术后抽出窥镜，留下小孔，也可用激光愈合。 再如激光治疗心脏病：因心脏病患者由于动脉血管内有胆固醇或有钙质晶体（晚期）的沉积而使血液受阻，以致心肌得不到新陈代谢必须的富氧血液，从而使心肌局部缺血，梗塞以至坏死。现有治疗方法有内科药物治疗及外科手术治疗，外科手术则是冠状动脉搭桥和气囊血管形成法，前者是切除人体下肢一段静脉血管移植到心脏主动脉与狭窄血管之间进行搭桥连接。后者则是把空的微形气囊 ,经过静脉管缓慢地推到已经堵塞冠状动脉处，再给气囊充气，将血斑推向动脉壁，以恢复血液流通。这两种技术在国内外医院已临床应用，但是有些病人不适应上述治疗，故近10年来又有采用光纤传导激光束到动脉管内将堵塞部位“打孔”形成血管或同时消融血管内血栓的技术。后又进一步发展成为一种治冠心病的血管再造技术。即用激光直接在左心室壁上打孔，“再造”出数十条直径1毫米的血管通道，让左心室的富氧血液直接流经再造血管内，直接改善缺血区的供血状况。还有将上两种技术兼用，例如，在国内于1996年北京邮电总医院，对一位47岁的冠心病人施行了“打孔+搭桥”手术，术后病状消除，心功能明显改善，两周后痊愈出院20。2.2.2 激光技术在工业领域的应用激光在工业上应用相当广，在提高工业生产精密度和生产效率方面，取得了令人注目的进展。比如说，现代工业生产离不开精密计量。作为长度基准的米原尺是用铱铂合金制成的，它上面两条刻线之间的距离为1米910。这把尺保存在法国巴黎国际计量局，各国使用的米尺以这把“米原尺”为准进行校对。1960年第11届国际计量大会作出以氢同位素原子86发射的红光（波长605.7纳米）波长定义长度米的议案，1米的长度等于这个波长的1650763.73倍910。但若改用单色性更好的激光来定义米的话，精度可以再提高1万倍。 机床可以用光波尺子精确控制零件加工精度，它是通过光学干涉方法作量度的。如果用的是可见光激光，那么计量1米长度，误差仅百分之几微米。但是随着机床、掩模制作机、集成电路制作机等的大型化，要求计量的量程也大。用单色性最好的氢灯可量度的最大量程为3.9米。而用单色性更好的激光，最大量程可达几百米乃至上千米。质量检测是保证产品质量合格率的重要手段。以往磁带、玻璃、纺织品、电子线路元件等表面的疵点、裂纹、气泡、针孔等缺陷，主要靠眼力检验。现在利用激光检查技术，检验速度快，漏检率低，还可以在生产线上作检查和分类。利用激光全息技术，可以不用解剖产品，直接探出它里面是否存在缺陷及缺陷的位置和大小。这就是所谓激光无损检测。飞机用的轮胎用这种方法检验，能可靠地保证使用的轮胎质量。利用激光也可以方便地了解机械设备的热变形度，帮助设计人员了解产品中的薄弱环节，从而改进设计，提高产品质量。 又比如打孔、切割、焊接和热处理等常用的机械加工工序，虽然做这些加工的工具已不少，有的加工精度也相当高，但是，论加工精密程度和生产效率，用激光大概是最好的。用激光打孔、切割的精度非常高；用激光给手表的红宝石轴承打孔，生产效率提高20多倍；用激光给钢笔大包头笔尖焊接，生产效率提高10余倍；用激光给发动机缸壁作热处理，能大大提高耐磨性，汽车无大修里程可达40万公里910等等。2.2.3 激光技术在加工领域的应用 因激光具有高亮度、方向性强、单色性好、相干性好、空间控制和时间控制性好等优越性能，容易获得超短脉冲和小尺寸光斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，因此它几乎能加工所有的材料。例如，塑料，陶瓷，玻璃，金属，半导体材料，复合材料等等，以及生物 和医用材料，特别适用于加工自动化，而且对被加工材料的形状、尺寸和加工环境要求很低。激光加工具有很多优点：（1）激光加工属无接触加工910：激光加工是通过激光光束进行加工，与被加工工件不直接接触，降低了机械加工惯性和机械变形，方便了加工。同时，还可加工常规机械加工不能或很难实现的加工工艺，如内雕、集成电路打微孔、硅片的刻划等；（2）加工质量好，加工精度高：由于激光能量密度高可瞬时完成加工，与传统机械加工相比，工件热变形小、无机械变形，使得加工质量显著提高；激光可通过光学聚焦聚焦，激光加工光斑非常小，加工精度很高，如PC 机硬盘高速转子采用激光平衡技术，其转子平衡精度可达微米或亚微米级7；（3）加工效率高：激光切割可比常规机械切割提高加工效率几十倍甚至上百倍；激光打孔特别是微比常规机械打孔提高效率几十倍至上千倍；激光焊接比常规焊接提高效率几十倍；激光调阻可提高上千倍，且精度亦显著提高；（4）材料利用率高，经济效益高：激光加工与其他加工技术相比可节省材料1030%，可直接节省材料成本费，且激光加工设备操作维护成本低，对加工费用降低提供了先决条件。 由于激光加工具有优越的加工性能，使得激光加工技术得到了广泛的应用，并产生了巨大的经济效益和社会效益。目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打