激光原理、特性及幾種典型應用分析.doc

1、本 科 生 畢 業(yè) 論 文論 文 題 目 激光原理、特性及幾種典型應用分析 學 生 姓 名 彭 文 昌 學 號 2007021211 專 業(yè) 名 稱 物 理 學 論文提交日期 2011年3月21日 申請學位級別 理學學士學位 論文評審等級 指導教師姓名 楊 春 艷 職 稱 講師 工 作 單 位 玉溪師范學院 學位授予單位 玉溪師范學院 玉溪師范學院理學院物理系二一一年三月激光原理、特性及幾種典型應用分析彭文昌 （玉溪師院理學院物理系07級2班 云南 玉溪 653100）指導老師：楊春艷摘 要：本文高度概括了激光的產(chǎn)生原理、激光的特性，并列舉了四種典型的激光應用技術。并且結(jié)合激光的高單色性、高亮

2、度性、高相干性和高方向性，分析現(xiàn)實生活生產(chǎn)中對這些激光特性的應用技術，分別有激光測距、激光打孔、激光顯微鏡和激光信息處理等。關鍵詞：受激輻射 ；粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ；激光原理 ；激光特性 ；典型應用1.引言激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，其亮度約為太陽光的50億倍。第一臺激光器是由美國科學家梅曼于1960年首次研制成功的。由于激光具有不同于一般光源的優(yōu)越特性，使得激光在很多領域得到重用。目前，激光技術已經(jīng)廣泛融入我們的日常生活之中了，如激光精密加工、激光信息處理、激光醫(yī)療等。對激光的原理、特性及應用進行深入的探討分析，對我們了解激光的基本知識和廣泛應用具有非常深刻

3、的意義。2.激光原理“激光”是光受激輻射放大的簡稱，它通過輻射的受激發(fā)射而實現(xiàn)光放大，具有單色性佳，亮度高，相干性強，方向性好的特點。當一個光子射入一個原子體系以后，在離開該原子體系時，分離成了兩個或更多個光子，而且這些光子具有完全相同的特征，這就是光放大。但是光與原子體系相互作用時，總是同時存在著吸收、自發(fā)輻射與受激輻射三種過程，不會只存在受激輻射過程，要得到激光就必須使受激輻射勝過吸收和自發(fā)輻射，即需出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過程和通過光學諧振腔處理。2.1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)設單位時間、單位體積內(nèi)原子體系吸收的光能量為。受激輻射產(chǎn)生的光能量為，則在單位體積單位時間內(nèi)產(chǎn)生的凈光能量為 其中是光的輻射能量密度，h

4、是普朗克常量，b是受激輻射系數(shù)，是光的頻率，n為粒子數(shù)密度，設此原子體積元為dv，截面積為s，t為輻射作用時間，長度方向沿z軸，de表示光能量的變化，則單位時間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的凈光能量可表為引入光強i ，則 c表示光速，則令 根據(jù)波耳茲曼的平衡態(tài)分布定律，在通常情況下，吸收的能量總是大于受激輻射的能量，但如果我們破壞粒子數(shù)的熱平衡分布，使，那么，受激輻射能量將大于吸收的能量，受激輻射過程勝過吸收過程，這時的粒子數(shù)分布已經(jīng)不是平衡態(tài)分布了，該過程稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。并非任何物質(zhì)都能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)中，也不是在該物質(zhì)的任意兩個能級間都能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，理論分析和實驗都表明：三能

5、級系統(tǒng)是有可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。其能級壽命很短，而是亞穩(wěn)態(tài)，能級壽命較長。于是就在和這一對能級間形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為基態(tài)能級，由于基態(tài)能級上總是聚集著大量的粒子，因此要實現(xiàn)，外界抽運就需要相當強，為了克服三能級系統(tǒng)的缺點，人們找到了四能級系統(tǒng)的工作物質(zhì)，如氦氖激光器和二氧化碳激光器都是四能級激光器。處于激發(fā)態(tài)能級的原子，可以通過自發(fā)輻射和受激輻射回到基態(tài)。在這兩個過程中，自發(fā)輻射往往是主要的。一般光源中，自發(fā)輻射大大超過了受激輻射。所以我們需要光學諧振腔處理來實現(xiàn)激光輸出。2.2光學諧振腔受激輻射除了與吸收過程相矛盾外，還與自發(fā)輻射相矛盾。為了克服這個矛盾，可以設計一種裝置使某一方向上的受激輻

6、射不斷得到放大和加強，使受激輻射在某一方向上產(chǎn)生振蕩，而其他方向傳播的光很容易逸出腔外，以致在這一特定方向上的受激輻射超過自發(fā)輻射，這種裝置叫光學諧振腔。全反光鏡 工作物質(zhì) 部分反光鏡圖1 光學諧振腔光學諧振腔起著正反饋、諧振和輸出的作用。如圖1，位于作為放大元件的工作物質(zhì)兩端，相互平行且垂直于工作物質(zhì)的軸線方向上放置一塊全反射鏡和一塊部分反射鏡，這樣就能起到光學諧振腔的作用。圖2 平面諧振腔能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)在外界的激勵下，就有許多粒子躍遷到激發(fā)態(tài)上。激發(fā)態(tài)的粒子不穩(wěn)定，會跳回基態(tài)，并向四面八方發(fā)射出自發(fā)輻射光子，偏離軸向的光子很快逸出諧振腔外，只有軸向的光子，由于受到反射而不至于逸

7、出腔外，以致產(chǎn)生了軸向的受激輻射。受激輻射發(fā)射出的光子與引起受激輻射的光子有相同的頻率、發(fā)射方向、偏振狀態(tài)和相位，沿軸向傳播的光在兩個反射鏡之間來回反射，往復通過已實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活介質(zhì)，不斷引起新的受激輻射，使軸向行進的該頻率的光得到放大，這個過程稱為光振蕩。諧振腔有多種，若將平面諧振腔中的兩平面鏡換成球面鏡，光線在諧振腔內(nèi)來回反射時能維持在腔軸附近而不逸出腔外，從而就能得到穩(wěn)定的諧振腔結(jié)構(gòu)，如圖3所示。具備了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)物質(zhì)和一個穩(wěn)定的諧振腔，還必須減少損耗，方能實現(xiàn)激光輸出。圖3 穩(wěn)定諧振腔3.激光的特性概括地說，激光有四高特性：高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性。它們之間并非彼此

8、獨立，而是相互聯(lián)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發(fā)散角小，光束的立體角為 式中表示平面發(fā)散角，是波長，是光束截面直徑。激光束的發(fā)散角主要是由于激光器輸出孔徑處的衍射造成的，它還與振蕩模式、腔長、工作物質(zhì)等有關?；鶛M模的發(fā)散角最小，橫模的階次越高，發(fā)散角越大。因此，適當?shù)倪x橫模技術，使激光器工作在基橫模狀態(tài)時有利于改善激光的方向性。諧振腔越長，方向性越好。激光的高方向性使其能有效的傳輸較長的距離，同時還能保證聚焦后得到極高的功率密度。另外，高方向性可獲得高的橫向空間相干性。3.2激光的高亮度性光源的亮度(b)定義為光源單位發(fā)光表面(s)沿給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光功率(

9、p)的大小，即 單位為。普通光源所發(fā)出的光是連續(xù)的，并且在立體角內(nèi)傳播，能量很分散，所以亮度不高，由于激光器的發(fā)光截面(s)和立體發(fā)散角都很小，故其輸出功率(p)很大。不僅如此，具有很高亮度的激光束經(jīng)透鏡聚焦后，能在焦點處產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬度的高溫，這就使其能加工高熔點、高硬度的材料。3.3激光的高單色性單色性常用或來表征，其中和分別為輻射波的中心頻率和波長，是譜線的寬度。原有單色性最好的光源是氪燈，其單色性數(shù)值為量級。而穩(wěn)頻激光器的輸出單色性可達到量級，比氪高幾萬倍甚至幾千萬倍。激光器的單色性還與振蕩模式及激光工作物質(zhì)有關，多縱模激光器的單色性比單縱模激光器差，固體激光器的單色性比氣體激光器

10、差，單色性最差的激光器要屬半導體激光器。激光的高單色性保證了光束經(jīng)聚焦元件后能得到很小的焦斑尺寸，從而得到很高的功率密度。另外，高單色性可獲得高的時間相干性。3.4激光的高相干性激光的高相干性是在光的波動理論基礎上描述光波各個部分的位相關系。由于激光中每個光子的運動狀態(tài)（頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向）都相同，因此它的相干性能比普通光源要強得多。相干性包括時間相干性與空間相干性。3.41時間相干性時間相干性是描述沿光束傳播方向上各點的位相關系。光源的時間相干性與單色性相聯(lián)系。光源的譜線寬度越窄，相干時間就越長。相干長度也越長，相干長度為由于激光的線寬非常窄，故時間相干性較好。3.4.2空間相干性

11、空間相干性是描述垂直于光束傳播方向的波面上各點之間的位相關系，它與光源的方向性相聯(lián)系。對于激光來說，只有屬于同一個橫模模式的光子才是空間相干的，否則不相干。因此激光的空間相干性由激光器的橫模結(jié)構(gòu)所決定。如果激光器是單橫模，則它是完全空間相干的；如果激光器是多橫模，則它的空間相干性能變差。激光的相干性有很多重要應用，如使用激光干涉儀進行檢測，比普通干涉儀速度快、精度高。用激光作為全息照相的光源，也是利用它的相干性能好這一特點。4.激光應用作為高科技術主要組成部分之一的激光技術，是20世紀科學技術發(fā)展的重要標志和現(xiàn)代信息社會光電子技術的重要支柱之一。其發(fā)展不僅受到技術先進國家的高度重視，也受到許多

12、發(fā)展中國家高度重視，并給以高額的投入。4.1激光測距距離的測量，是各生產(chǎn)領域最重視的一個項目，特別是軍事領域，因為槍炮射擊、偵察等都需要精確的距離數(shù)據(jù)。激光一出現(xiàn)，各種軍用激光測距儀也相繼發(fā)展起來。4.1.1激光測距的優(yōu)點由于激光具有高方向性和高相干性，較窄的光束可使激光能量高度集中，短的脈沖寬度可提高測距中的計時精度，波長比微波波長小三個數(shù)量級以上，不僅使激光的橫向和縱向目標分辨力大大提高，而且不受電磁干擾和地波干擾。同時激光器可以不用巨大的天線就可以發(fā)射極窄的光束，和微波相比，優(yōu)勢明顯，不但測量更精確，而且使得測距儀器體積小、重量輕。4.1.2激光脈沖測距的原理激光測距的原理是對準目標發(fā)射

13、激光脈沖，激光遇目標后反射，由于光的傳播速度為常數(shù)，只要測出激光脈沖從出發(fā)至收到回波的渡越時間，即可算出目標距離。 如圖4所示，若測出脈沖往返時間t，則目標距離為t 其中c是光速。 圖4 渡越時間圖 為了準確地測量渡越時間t，精確的測定發(fā)射時刻和接收時刻非常關鍵，所以選用激光脈沖。 光電2光電1計數(shù)器激光器 分光鏡 發(fā)射接收光學系統(tǒng) 圖5 測距機原理框架圖 設所測量的脈沖渡越時間為 式中為時鐘周期，為計時脈沖的個數(shù)。因為接收脈沖與時鐘是異步的，所以測量有一個時鐘周期的誤差。因此目標修正距離可表示為 式中為時鐘頻率。4.2激光打孔激光打孔加工的應用領域相當廣。激光打孔加工是指高功率激光集中作用于

14、被加工物體的某一點，以實施對被加工物的打孔。比如，用于金屬拉絲的金剛石拉絲模具打孔，鐘表紅寶石軸承上打孔，手術用針的打孔等。作為激光加工機的能源，激光與普通的熱源相比，具有相當明顯的優(yōu)勢。4.2.1 激光打孔的特點 激光加工是一種熱加工方法。由于激光的高單色性和高亮度性，使其可以加工高熔點、高硬度材料。另外，激光進行非接觸加工時，即使對微小的零件也不會產(chǎn)生作用力。因此適于細微部位的加工。同時由于激光束在空間和時間上高度集中，利用透鏡聚焦，可以將光斑直徑縮小到微米級從而獲得的激光功率密度，同普通的機械加工、電火花加工等常規(guī)打孔加工相比，激光打孔具有以下顯著特點：(1)可獲得較大的深徑比。一般機械

15、或電火花打孔的深徑比不超過10，但激光器可在耐腐蝕的高熔點合金上打口徑為的小孔，其深徑比可達250左右.(2)適合于數(shù)量多、高密度的群孔加工。(3)非接觸加工可在難加工的傾斜面上加工小孔。4.2.2激光打孔的激光加熱機理當加工金屬物體，激光進入金屬物體的穿透深度大致為。由此看來，大部分光能被加工物體表面吸收轉(zhuǎn)換成熱能。若激光聚焦為圓形光斑，材料的表面溫度可表示為，假設激光照射在無限大固體表面半徑為的圓區(qū)域。表面反射率為r，此時，圓周中心表面以下深度z處的溫度可表示為： 式中是激光功率（w）；是熱擴散率，等于，是熱導率，是密度，是比熱，是脈沖寬度即為照射時間（s），是圓形照射區(qū)域的半徑。當光斑半

16、徑時，光束中心的表面溫度可以近似用下式表示為： 這里，（1-r）是吸收率，是激光的功率密度， t是照射時間。假如金屬表面的反射率為50%，激光脈沖寬度為1ms，直徑為1mm，通過該式計算可知，在幾焦激光能量的作用下，材料表面的加熱溫度就超過了熔點。4.3 激光顯微鏡1950年minsky首次提出共焦點顯微鏡的設想，由于當時沒有足夠高亮度的光源，未能做到滿意的觀測，該顯微鏡的實用化是在激光技術大力發(fā)展的20世紀80年代以后。4.3.1 激光共焦點顯微鏡的特點為了以細胞級（微米級）的空間分辨力來觀察生物體，通常先做組織切片標本，在利用光學顯微鏡觀察，如果利用激光共焦點顯微鏡，則不需要做切片標本也能

17、以同樣的高分辨力觀察生物體。4.3.2 激光共焦點顯微鏡的原理激光共焦點顯微鏡的原理如圖6。激光器發(fā)出的光經(jīng)針孔并經(jīng)透鏡聚光后照射到試樣的觀察點上，在試樣內(nèi)形成針孔的一次像，再經(jīng)物鏡和空間濾波器在檢測器上成二次像。空間濾波器置于與針孔共軛的位置上，起著重要的作用。觀察點上成像光束的一部分，由于在前后的物體上受到散射，所以在空間濾波器前后成二次像，這些成像光束被濾波器阻擋，從而在檢測器上可得到對比度較高的觀測點的像。為了得到二維圖像，對試樣進行掃描。 檢測器聚光透鏡生物體試樣物鏡針孔濾波器偏離焦點面焦平面圖6 激光共焦點顯微鏡的原理圖（透射型） 點光源讀出器聚光及物鏡生物體試樣光束分離器圖7 反

18、射型激光共焦點顯微鏡的原理圖實際上常采用如圖7所示的反射型結(jié)構(gòu)，成像光束是在組織內(nèi)部所產(chǎn)生的反射或后反射光。 4.4 激光信息處理進入多媒體時代，大量的信息處理技術越發(fā)顯得重要。作為支持這一技術的光盤存儲技術尤其引人注目。4.4.1 激光信息處理技術特點(1)由于激光束可以高精度聚焦，使得光盤密度高、存儲信息量大，每片可保存幾百到幾千兆字節(jié)的信息這是傳統(tǒng)的存儲設備所無法比擬的。(2)可以隨時進行讀取和寫入，存取和復制速度較快 (3)光盤將聲音、文字、數(shù)宇、同形、圖象等信息融為一體，是多媒體交互式信息載體，它對周圍世界的記錄與再現(xiàn)更加形象、逼真。4.4.2 激光信息處理的原理音樂、圖像等輸出的信

19、息，以長短、間距不一的凹坑形式被刻錄在光盤上，通過聚焦的微細激光寫入、讀出這些信息。激光視唱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖8所示。光電二極管透鏡半導體激光器光盤槽r 圖8 激光視唱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)將一系列凹坑稱作紋跡，軌道間距r為1.6 。因此，光盤能夠高密度地記錄信息。若要從凹坑中讀取信息，必須使聚焦后的激光尺寸小于軌道間隙。透鏡的聚焦能力與開口數(shù)na有關。聚焦光斑的直徑d可按下式求出：這里na 透鏡直徑/2焦點距離。唱盤播放時使用專門設計的透鏡，na最大0.5左右。因為半導體激光的波長是0.78 ，所以d約為0.8 。只有激光光源能夠聚焦成如此細小的光斑。若是普通光源，即使是最高級的透鏡也無法聚焦成像激

20、光光源那樣小的光斑。激光寫入和讀取信息原理如圖9。激光經(jīng)透鏡聚焦后焦點落在盤面之上，由于凹坑處的反射光發(fā)生散射，因此返回至透鏡的反射光量減少，而沒有凹坑部位的反射光量卻非常高。由此，就可以讀出0和1的數(shù)據(jù)信號了。凹坑散射反射光入射光反射光入射光無凹坑時有凹坑時圖9 聚焦的激光讀取凹坑信息原理圖。5.結(jié)論通過對激光原理、特性概括性的認識，知道其具有不同于普通光源的優(yōu)越特性，聯(lián)系實際，我們對它的優(yōu)越特性加以利用。在激光測距應用中，由于激光的高方向性和高相干性，使得測量變得更加的精確和方便；在激光打孔應用中，由于激光具有單色性好、亮度高、發(fā)散角小的特點，實現(xiàn)了對細小物體的精密加工；在激光顯微鏡應用中

21、，由于激光的高亮度性，可以不需要做切片標本就能以很高的分辨力觀察生物體；在激光信息處理應用中，由于激光的高相干性和高單色性，可以實現(xiàn)光盤中大量數(shù)據(jù)信息的寫入和讀取。 激光技術已經(jīng)普遍于我們生產(chǎn)生活中的各個角落。通過本篇論文的撰寫，使我對激光的知識有了更深層次的了解，擴展了我的專業(yè)知識，也讓我認識到激光原理、特性及應用的重要性。相信激光技術將在更多的領域為我們服務。致 謝論文寫作過程中得到楊春艷老師細心的幫助和專業(yè)的指導，在此表示最衷心的感謝！參考資料：1王青圃，張行愚，劉澤金，李平. 激光原理m. （山東濟南）：山東大學出版社，20032 姚啟鈞. 光學教程m. （北京）：高等教育出版社，20

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