《激光的应用》教案

1、 激光的应用一、激光的简介激光是在1960年正式问世的。但是，激光的历史却已有100多年。确切地说，远在1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，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。爱因斯坦提出了一套全新的技术理论光与物质相互作用。这一理论是说在组成物质的原子中，有有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的电子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，

2、而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称“激光”。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。二、激光的产生原理激光要实

3、现的是光子受激放大辐射。首先原子要产生光子，而且是从高能级向低能级跃迁，同时把变化的能量以光子的形式释放出来，这是激光形成的基础。然后，要对光子数密度进行不断放大，很快将极强的激光震荡而输出。但是，在一般情况下，自发辐射的几率远远大于受激辐射几率，而且通过提高温度的办法使得受激辐射超过自发辐射是不可能的，这就需要能够容易产生光子的激光工作物质，同时需要在热平衡条件下对工作物质增加一个激励系统，打破热平衡状态下的玻尔兹曼分布，形成反转粒子数分布，使得工作物质对光子的吸收为主变为对光子的放大超过吸收。为了实现放大辐射，就要提高光子简并度，因为工作物质不可能做得太长，但是可以增加通过工作物质的次数使

4、得光子数密度增大，这就需要有谐振腔，由两面发射镜组成的反馈光学系统。同时，为了提高同一状态内的光子数，必须大大减少谐振腔内的模式密度，这就需要将谐振腔做成开放式谐振腔，使得偏离光轴方向传播的光波模式损失掉，只保留少数沿光轴方向传播的模式。综上，激光的产生过程是：激光工作物质在泵浦源的激励下被激活，即介质处于粒子数反转状态，在粒子数反转分布的两能级和之间，由自发辐射过程产生很微弱的特定频率（）的光辐射。在自发辐射光子的感应下，在上下能级和之间产生受激辐射。这种受激辐射光子与自发辐射光子的性质（频率、相位、偏振、传播方向）完全相同，很快由这些光辐射在介质中产生连锁反应，由于谐振腔的作用，这些光子在

5、腔内多次往返经过介质，产生更多的同类光子密度，因此就可能使某类光子的受激辐射成为介质中占绝对优势的一种辐射，从而从谐振腔的部分透射镜端输出光能，这就是激光。三、激光的特性1、高方向性从激光器的部分反射镜一端输出的激光束基本上是沿着与镜面垂直的方向传播的，在单模和均匀介质中，激光的发散角已接近衍射极限角。 （27）而激光的远场发散角半角 ： （28） 在数值上已达到了以为半径的光束衍射极限角，实际上比同样粗细的平行光束的衍射极限角还小。2、高单色性放电管发射的光波不是单色的，而是有一定的频率范围，这频率范围内的所有频率，都可以在放电管所发射的光波中找到，但是，如果把放电管放在光学谐振腔内，由于谐

6、振腔的干涉作用，在发射出来的光波中，频率数目就不是原来那样多了，只有那些满足谐振腔共振条件而又落在工作物质的谱线宽度内的频率才能形成激光输出，不满足共振条件的频率，都在谐振腔内干涉相消了，而且谐振腔内总存在工作物质，它对出射光波的频率宽度也起着限制的作用，所以，激光的单色性比较好，激光的单色性定义为或，其中、为激光谱线的中疏频率和中心波长，和为相应的频率宽度和谱线宽度。单色性的两个重要的因素：原子发光寿命和多普勒效应。原子发光的寿命（即持续发光时间）和所发光的频率宽度是成反比的，发光时间愈长，则频率宽度愈窄，频率宽度愈窄，光波的单色性就愈好。多普勒加宽越小，单色性越好。3、高亮度光源的单色辐射

7、亮度定义为： （29）表示单位面积的光源在其法线方向上的单位立体角范围内传输的辐射功率。影响亮度的三个要素是：光束立体角，发光时间和光谱范围的宽窄。因为激光的发散角很小（由高方向性可知），发光的时间很短，而且光谱宽度很窄（由高单色性可知），使能量在时间、空间和频率上高度集中，因此有高亮度。4、高相干性因为光学谐振腔的存在，对辐射光进行放大，同时对光进行选择限制，将相位相差不是的整数倍、方向不是近轴方向的光损失掉，因此激光的输出光具有高相干性。四、激光技术的应用1、 激光技术在监测方面的一些应用（1）三维激光扫描技术在地形测绘的应用三维激光扫描仪用于边坡三维形状的获取、加固方案设计、边坡灾害对策

8、及安全检测等，都具有独到得方边便性及先进性。测量设站灵活方便，测量效率高，获取的数据直接可以进行处理以得到基础信息和分析结果。在地形测绘中，三维激光扫描仪及后处理软件，只经过简单的几个步骤就可以轻松获取高比例尺的地形图。（2）激光雷达技术在大气环境监测中的应用用于探测大气气溶胶和云的激光雷达技术主要是米散射探测技术,使用这种技术的激光雷达被称为米散射激光雷达。激光雷达是一种重要的大气环境探测手段,由于其具有时空分辨率高、探测灵敏度高和抗干扰能力强等优点,因此,利用激光雷达对大气进行监测,收集、分析数据,建立大气环境预测理论模型,将为研究气候变化和寻求治理环境的新途径提供科学的依据。2、激光技术

9、检测方面的应用由于激光技术的精确性，在我们生活中的的一些检测越来越多都用到激光检测，既方便又安全精确。如激光散斑技术在农产品检测中的应用，随着人们生活水平的提高，农产品检测技术越来越受到人们的重视，发展新颖的农产品快速检测技术是提高农产品市场竞争力、增加农民收入的有效措施。激光散斑技术灵敏度高，操作简单，作为一种新颖的无损快速检测技术已经受到越来越多的关注。3、激光技术在制造业的应用随着激光制造技术的快速发展，激光技术已经在工业领域得到广泛的应用。利用激光来焊接金属材料有许多优越性:方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小;易于实现数控，可以焊接形状特殊的工件;激光能量

10、集中、作用时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受热敏感的材料等等。激光加工技术具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、便于实行数控、可进行特殊加工等优点,在切割、焊接、表面熔覆与合金化、表面热处理、新材料制备等方面得到了广泛应用。4、激光技术在医学上的应用激光医学在临床上的应用主要分为三大部分,包括:激光在基础医学研究中的应用,主要是通过激光与人体器官组织、细胞和生物分子的相互作用来研究激光的生物效应。激光诊断,是以激光作为信息载体,利用激光单色性好的特点,对组织病理形态、病理情况下的功能及找出某些致病因素等方面进行光谱分析。激光治疗,是以激光作

11、为能量载体,利用激光对组织的生物学效应进行治疗,多年来,激光技术已成为临床治疗的有效手段,也成为发展医学诊断的关键技术，包括：弱激光治疗，高强度激光手术，激光动力学疗法(光化学疗法)，激光诊断。5、激光技术在航天上的应用航天技术作为一门综合性科学技术，是现代科学技术高度的综合集成。激光焊接技术作为一项先进制造技术，对航天技术的发展起到了重要作用。如航天电源连接器和传感器的焊接、航空发动机的焊接、飞机客体的焊接等。随着激光器研究的深入和大功率激光器的产品化，激光焊接技术向大厚板、高适应性、高效率和低成本方向发展，同时，随着新材料、新结构的出现，激光焊接技术将逐步替代一些传统的焊接工艺，在航天领域中占据重要地位。五、激光技术的发展前景激光技术作为一种新的科学技术有着广阔的应用前景。快速、精准是其最大的优势，激光不仅能够在精密仪器