激光原理、特性及几种典型应用分析.doc

1、本 科 生 毕 业 论 文论 文 题 目 激光原理、特性及几种典型应用分析 学 生 姓 名 彭 文 昌 学 号 2007021211 专 业 名 称 物 理 学 论文提交日期 2011年3月21日 申请学位级别 理学学士学位 论文评审等级 指导教师姓名 杨 春 艳 职 称 讲师 工 作 单 位 玉溪师范学院 学位授予单位 玉溪师范学院 玉溪师范学院理学院物理系二一一年三月激光原理、特性及几种典型应用分析彭文昌 （玉溪师院理学院物理系07级2班 云南 玉溪 653100）指导老师：杨春艳摘 要：本文高度概括了激光的产生原理、激光的特性，并列举了四种典型的激光应用技术。并且结合激光的高单色性、高亮

2、度性、高相干性和高方向性，分析现实生活生产中对这些激光特性的应用技术，分别有激光测距、激光打孔、激光显微镜和激光信息处理等。关键词：受激辐射 ；粒子数反转 ；激光原理 ；激光特性 ；典型应用1.引言激光是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，其亮度约为太阳光的50亿倍。第一台激光器是由美国科学家梅曼于1960年首次研制成功的。由于激光具有不同于一般光源的优越特性，使得激光在很多领域得到重用。目前，激光技术已经广泛融入我们的日常生活之中了，如激光精密加工、激光信息处理、激光医疗等。对激光的原理、特性及应用进行深入的探讨分析，对我们了解激光的基本知识和广泛应用具有非常深刻

3、的意义。2.激光原理“激光”是光受激辐射放大的简称，它通过辐射的受激发射而实现光放大，具有单色性佳，亮度高，相干性强，方向性好的特点。当一个光子射入一个原子体系以后，在离开该原子体系时，分离成了两个或更多个光子，而且这些光子具有完全相同的特征，这就是光放大。但是光与原子体系相互作用时，总是同时存在着吸收、自发辐射与受激辐射三种过程，不会只存在受激辐射过程，要得到激光就必须使受激辐射胜过吸收和自发辐射，即需出现粒子数反转过程和通过光学谐振腔处理。2.1粒子数反转设单位时间、单位体积内原子体系吸收的光能量为。受激辐射产生的光能量为，则在单位体积单位时间内产生的净光能量为 其中是光的辐射能量密度，h

4、是普朗克常量，b是受激辐射系数，是光的频率，n为粒子数密度，设此原子体积元为dv，截面积为s，t为辐射作用时间，长度方向沿z轴，de表示光能量的变化，则单位时间单位体积内产生的净光能量可表为引入光强i ，则 c表示光速，则令 根据波耳兹曼的平衡态分布定律，在通常情况下，吸收的能量总是大于受激辐射的能量，但如果我们破坏粒子数的热平衡分布，使，那么，受激辐射能量将大于吸收的能量，受激辐射过程胜过吸收过程，这时的粒子数分布已经不是平衡态分布了，该过程称为粒子数反转。并非任何物质都能实现粒子数反转，在能实现粒子数反转的物质中，也不是在该物质的任意两个能级间都能实现粒子数反转，理论分析和实验都表明：三能

5、级系统是有可能实现粒子数反转的。其能级寿命很短，而是亚稳态，能级寿命较长。于是就在和这一对能级间形成了粒子数反转，为基态能级，由于基态能级上总是聚集着大量的粒子，因此要实现，外界抽运就需要相当强，为了克服三能级系统的缺点，人们找到了四能级系统的工作物质，如氦氖激光器和二氧化碳激光器都是四能级激光器。处于激发态能级的原子，可以通过自发辐射和受激辐射回到基态。在这两个过程中，自发辐射往往是主要的。一般光源中，自发辐射大大超过了受激辐射。所以我们需要光学谐振腔处理来实现激光输出。2.2光学谐振腔受激辐射除了与吸收过程相矛盾外，还与自发辐射相矛盾。为了克服这个矛盾，可以设计一种装置使某一方向上的受激辐

6、射不断得到放大和加强，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而其他方向传播的光很容易逸出腔外，以致在这一特定方向上的受激辐射超过自发辐射，这种装置叫光学谐振腔。全反光镜 工作物质 部分反光镜图1 光学谐振腔光学谐振腔起着正反馈、谐振和输出的作用。如图1，位于作为放大元件的工作物质两端，相互平行且垂直于工作物质的轴线方向上放置一块全反射镜和一块部分反射镜，这样就能起到光学谐振腔的作用。图2 平面谐振腔能实现粒子数反转的工作物质在外界的激励下，就有许多粒子跃迁到激发态上。激发态的粒子不稳定，会跳回基态，并向四面八方发射出自发辐射光子，偏离轴向的光子很快逸出谐振腔外，只有轴向的光子，由于受到反射而不至于逸

7、出腔外，以致产生了轴向的受激辐射。受激辐射发射出的光子与引起受激辐射的光子有相同的频率、发射方向、偏振状态和相位，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射，往复通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，这个过程称为光振荡。谐振腔有多种，若将平面谐振腔中的两平面镜换成球面镜，光线在谐振腔内来回反射时能维持在腔轴附近而不逸出腔外，从而就能得到稳定的谐振腔结构，如图3所示。具备了粒子数反转物质和一个稳定的谐振腔，还必须减少损耗，方能实现激光输出。图3 稳定谐振腔3.激光的特性概括地说，激光有四高特性：高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性。它们之间并非彼此

8、独立，而是相互联系的。3.1激光的高方向性激光的高方向性主要指其光束的发散角小，光束的立体角为 式中表示平面发散角，是波长，是光束截面直径。激光束的发散角主要是由于激光器输出孔径处的衍射造成的，它还与振荡模式、腔长、工作物质等有关。基横模的发散角最小，横模的阶次越高，发散角越大。因此，适当的选横模技术，使激光器工作在基横模状态时有利于改善激光的方向性。谐振腔越长，方向性越好。激光的高方向性使其能有效的传输较长的距离，同时还能保证聚焦后得到极高的功率密度。另外，高方向性可获得高的横向空间相干性。3.2激光的高亮度性光源的亮度(b)定义为光源单位发光表面(s)沿给定方向上单位立体角内发出的光功率(

9、p)的大小，即 单位为。普通光源所发出的光是连续的，并且在立体角内传播，能量很分散，所以亮度不高，由于激光器的发光截面(s)和立体发散角都很小，故其输出功率(p)很大。不仅如此，具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点处产生数千度乃至上万度的高温，这就使其能加工高熔点、高硬度的材料。3.3激光的高单色性单色性常用或来表征，其中和分别为辐射波的中心频率和波长，是谱线的宽度。原有单色性最好的光源是氪灯，其单色性数值为量级。而稳频激光器的输出单色性可达到量级，比氪高几万倍甚至几千万倍。激光器的单色性还与振荡模式及激光工作物质有关，多纵模激光器的单色性比单纵模激光器差，固体激光器的单色性比气体激光器

10、差，单色性最差的激光器要属半导体激光器。激光的高单色性保证了光束经聚焦元件后能得到很小的焦斑尺寸，从而得到很高的功率密度。另外，高单色性可获得高的时间相干性。3.4激光的高相干性激光的高相干性是在光的波动理论基础上描述光波各个部分的位相关系。由于激光中每个光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同，因此它的相干性能比普通光源要强得多。相干性包括时间相干性与空间相干性。3.41时间相干性时间相干性是描述沿光束传播方向上各点的位相关系。光源的时间相干性与单色性相联系。光源的谱线宽度越窄，相干时间就越长。相干长度也越长，相干长度为由于激光的线宽非常窄，故时间相干性较好。3.4.2空间相干性

11、空间相干性是描述垂直于光束传播方向的波面上各点之间的位相关系，它与光源的方向性相联系。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，否则不相干。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。激光的相干性有很多重要应用，如使用激光干涉仪进行检测，比普通干涉仪速度快、精度高。用激光作为全息照相的光源，也是利用它的相干性能好这一特点。4.激光应用作为高科技术主要组成部分之一的激光技术，是20世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会光电子技术的重要支柱之一。其发展不仅受到技术先进国家的高度重视，也受到许多

12、发展中国家高度重视，并给以高额的投入。4.1激光测距距离的测量，是各生产领域最重视的一个项目，特别是军事领域，因为枪炮射击、侦察等都需要精确的距离数据。激光一出现，各种军用激光测距仪也相继发展起来。4.1.1激光测距的优点由于激光具有高方向性和高相干性，较窄的光束可使激光能量高度集中，短的脉冲宽度可提高测距中的计时精度，波长比微波波长小三个数量级以上，不仅使激光的横向和纵向目标分辨力大大提高，而且不受电磁干扰和地波干扰。同时激光器可以不用巨大的天线就可以发射极窄的光束，和微波相比，优势明显，不但测量更精确，而且使得测距仪器体积小、重量轻。4.1.2激光脉冲测距的原理激光测距的原理是对准目标发射

13、激光脉冲，激光遇目标后反射，由于光的传播速度为常数，只要测出激光脉冲从出发至收到回波的渡越时间，即可算出目标距离。 如图4所示，若测出脉冲往返时间t，则目标距离为t 其中c是光速。 图4 渡越时间图 为了准确地测量渡越时间t，精确的测定发射时刻和接收时刻非常关键，所以选用激光脉冲。 光电2光电1计数器激光器 分光镜 发射接收光学系统 图5 测距机原理框架图 设所测量的脉冲渡越时间为 式中为时钟周期，为计时脉冲的个数。因为接收脉冲与时钟是异步的，所以测量有一个时钟周期的误差。因此目标修正距离可表示为 式中为时钟频率。4.2激光打孔激光打孔加工的应用领域相当广。激光打孔加工是指高功率激光集中作用于

14、被加工物体的某一点，以实施对被加工物的打孔。比如，用于金属拉丝的金刚石拉丝模具打孔，钟表红宝石轴承上打孔，手术用针的打孔等。作为激光加工机的能源，激光与普通的热源相比，具有相当明显的优势。4.2.1 激光打孔的特点 激光加工是一种热加工方法。由于激光的高单色性和高亮度性，使其可以加工高熔点、高硬度材料。另外，激光进行非接触加工时，即使对微小的零件也不会产生作用力。因此适于细微部位的加工。同时由于激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得的激光功率密度，同普通的机械加工、电火花加工等常规打孔加工相比，激光打孔具有以下显著特点：(1)可获得较大的深径比。一般机械

15、或电火花打孔的深径比不超过10，但激光器可在耐腐蚀的高熔点合金上打口径为的小孔，其深径比可达250左右.(2)适合于数量多、高密度的群孔加工。(3)非接触加工可在难加工的倾斜面上加工小孔。4.2.2激光打孔的激光加热机理当加工金属物体，激光进入金属物体的穿透深度大致为。由此看来，大部分光能被加工物体表面吸收转换成热能。若激光聚焦为圆形光斑，材料的表面温度可表示为，假设激光照射在无限大固体表面半径为的圆区域。表面反射率为r，此时，圆周中心表面以下深度z处的温度可表示为： 式中是激光功率（w）；是热扩散率，等于，是热导率，是密度，是比热，是脉冲宽度即为照射时间（s），是圆形照射区域的半径。当光斑半

16、径时，光束中心的表面温度可以近似用下式表示为： 这里，（1-r）是吸收率，是激光的功率密度， t是照射时间。假如金属表面的反射率为50%，激光脉冲宽度为1ms，直径为1mm，通过该式计算可知，在几焦激光能量的作用下，材料表面的加热温度就超过了熔点。4.3 激光显微镜1950年minsky首次提出共焦点显微镜的设想，由于当时没有足够高亮度的光源，未能做到满意的观测，该显微镜的实用化是在激光技术大力发展的20世纪80年代以后。4.3.1 激光共焦点显微镜的特点为了以细胞级（微米级）的空间分辨力来观察生物体，通常先做组织切片标本，在利用光学显微镜观察，如果利用激光共焦点显微镜，则不需要做切片标本也能

17、以同样的高分辨力观察生物体。4.3.2 激光共焦点显微镜的原理激光共焦点显微镜的原理如图6。激光器发出的光经针孔并经透镜聚光后照射到试样的观察点上，在试样内形成针孔的一次像，再经物镜和空间滤波器在检测器上成二次像。空间滤波器置于与针孔共轭的位置上，起着重要的作用。观察点上成像光束的一部分，由于在前后的物体上受到散射，所以在空间滤波器前后成二次像，这些成像光束被滤波器阻挡，从而在检测器上可得到对比度较高的观测点的像。为了得到二维图像，对试样进行扫描。 检测器聚光透镜生物体试样物镜针孔滤波器偏离焦点面焦平面图6 激光共焦点显微镜的原理图（透射型） 点光源读出器聚光及物镜生物体试样光束分离器图7 反

18、射型激光共焦点显微镜的原理图实际上常采用如图7所示的反射型结构，成像光束是在组织内部所产生的反射或后反射光。 4.4 激光信息处理进入多媒体时代，大量的信息处理技术越发显得重要。作为支持这一技术的光盘存储技术尤其引人注目。4.4.1 激光信息处理技术特点(1)由于激光束可以高精度聚焦，使得光盘密度高、存储信息量大，每片可保存几百到几千兆字节的信息这是传统的存储设备所无法比拟的。(2)可以随时进行读取和写入，存取和复制速度较快 (3)光盘将声音、文字、数宇、同形、图象等信息融为一体，是多媒体交互式信息载体，它对周围世界的记录与再现更加形象、逼真。4.4.2 激光信息处理的原理音乐、图像等输出的信

19、息，以长短、间距不一的凹坑形式被刻录在光盘上，通过聚焦的微细激光写入、读出这些信息。激光视唱系统的基本结构如图8所示。光电二极管透镜半导体激光器光盘槽r 图8 激光视唱系统的基本结构将一系列凹坑称作纹迹，轨道间距r为1.6 。因此，光盘能够高密度地记录信息。若要从凹坑中读取信息，必须使聚焦后的激光尺寸小于轨道间隙。透镜的聚焦能力与开口数na有关。聚焦光斑的直径d可按下式求出：这里na 透镜直径/2焦点距离。唱盘播放时使用专门设计的透镜，na最大0.5左右。因为半导体激光的波长是0.78 ，所以d约为0.8 。只有激光光源能够聚焦成如此细小的光斑。若是普通光源，即使是最高级的透镜也无法聚焦成像激

20、光光源那样小的光斑。激光写入和读取信息原理如图9。激光经透镜聚焦后焦点落在盘面之上，由于凹坑处的反射光发生散射，因此返回至透镜的反射光量减少，而没有凹坑部位的反射光量却非常高。由此，就可以读出0和1的数据信号了。凹坑散射反射光入射光反射光入射光无凹坑时有凹坑时图9 聚焦的激光读取凹坑信息原理图。5.结论通过对激光原理、特性概括性的认识，知道其具有不同于普通光源的优越特性，联系实际，我们对它的优越特性加以利用。在激光测距应用中，由于激光的高方向性和高相干性，使得测量变得更加的精确和方便；在激光打孔应用中，由于激光具有单色性好、亮度高、发散角小的特点，实现了对细小物体的精密加工；在激光显微镜应用中

21、，由于激光的高亮度性，可以不需要做切片标本就能以很高的分辨力观察生物体；在激光信息处理应用中，由于激光的高相干性和高单色性，可以实现光盘中大量数据信息的写入和读取。 激光技术已经普遍于我们生产生活中的各个角落。通过本篇论文的撰写，使我对激光的知识有了更深层次的了解，扩展了我的专业知识，也让我认识到激光原理、特性及应用的重要性。相信激光技术将在更多的领域为我们服务。致 谢论文写作过程中得到杨春艳老师细心的帮助和专业的指导，在此表示最衷心的感谢！参考资料：1王青圃，张行愚，刘泽金，李平. 激光原理m. （山东济南）：山东大学出版社，20032 姚启钧. 光学教程m. （北京）：高等教育出版社，20

22、08-63褚圣麟. 原子物理学m. （北京）：高等教育出版社，1979-64朱林泉，朱苏磊 编.激光应用技术基础m . （北京）：国防工业出版社，20045朱若谷. 激光应用技术m. （北京）：国防工业出版社，20066李祥友，曾晓雁，黄维玲.激光精密加工技术的现状和展望j. 激光杂志，20007中井贞雄，熊缨（译）.激光工程m. （北京）：科学出版社，20028李春密.教育学报j.（北京）：教育学报杂志编辑部出版，19969徐庆仁. 国外激光加工技术的发展和应用m. （北京）：国际航空出版，199810朱企业. 激光精密加工m.（北京）：北京机械工业出版社，199011李力钧. 现代激光加工及其装备m.（北京）：北京理工大学出版社，1993 12吕百达. 激光光学m. （四川成都）：四川大学出版社，1986-0713李福利. 高等激光物理学m.（北京）： 高等教育出版社，200614james r koels. use the beam for better cuttingj. manu facturing engineering, 1991,106(1):5115laser job shop ahead of the pack welding journal ,j