目 录
摘要 ·································································································································· 1 Abstract ····························································································································· 1 Key words ························································································································· 1 前言 ·································································································································· 1 1. 激光的简介 ··················································································································· 1
2. 激光的产生 ··················································································································· 2
2.1 受激吸收 ················································································································· 2
2.2 自发辐射 ················································································································· 2
2.3 受激辐射 ················································································································· 2
3. 激光的特点 ··················································································································· 2
3.1定向发射 ·················································································································· 2
3.2亮度极高 ·················································································································· 3
3.3颜色极纯 ·················································································································· 3
4. 激光的应用 ··················································································································· 3
4.1激光通信 ·················································································································· 3
4.2材料加工 ·················································································································· 4
4.3激光照相排版 ·········································································································· 5
4.4激光在医学上的应用 ······························································································ 6
4.5激光武器 ·················································································································· 7
5. 激光的前景 ··················································································································· 8 结论 ·································································································································· 8 参考文献 ·························································································································· 8
激光技术及其应用
摘 要: 激光技术是六十年代初发展起来的一门以原子理论、量子理论、光学技术和电子技术为基础的一门高新技术。目前激光技术已经被推广应用于农业、工业、医疗、科学研究、军用武器及航天技术等多个领域，带来了巨大的效益。本文将对这门新兴技术的发展应用及前景进行一个简单的讨论。
关键词:激光; 受激发射; 激光应用; 前景
Laser Technology and Its Application
Abstract ：Laser technology is at the beginning of the sixty's development of an atomic theory, quantum theory, optical and electronic technology as the foundation of a new and high technology. The laser technology has been applied to the agricultural, industrial, medical, scientific research, military and aerospace technology, has brought the huge benefit. This paper analyzes the emerging technology development and prospects of the application of a simple discussion
Key words: laser;Stimulated emission; Laser application; prospect
前言
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体在今后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在1916年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到1958年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。该项目在华中科技大学武汉光电国家实验室和武汉东湖中国光谷得到充分体现。
1. 激光的简介
激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER 的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头
一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经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”[1]。
2. 激光的产生
2.1 受激吸收
处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。
2.2 自发辐射
粒子受到激发而进入的高能态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，既使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级(E2)向低能级(E1) 跃迁，同时辐射出能量为(E2-E1)的光子，光子频率=(E2-E1)/h 。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光[2]。
2.3 受激辐射
1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为=(E2-E1)/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。
可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率 =(E2-E1)/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。
3. 激光的特点
3.1定向发射
普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使
辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。
3.2亮度极高
在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。
3.3颜色极纯
光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。
激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。
此外，激光还有其它特点：相干性好。激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，称为非相干光[3]。
4. 激光的应用
4.1激光通信
用光传递信息，在今天十分普遍。比如，舰船用灯语通信，交通灯用红、黄、
绿三色调度。但是所有这些用普通光传递信息的方式，都只能局限在短距离内. 要想把信息通过光直接传递到遥远的地方，就不能用普通光，而只能动用激光。
那如何传递激光呢？我们知道，电是可以沿着铜线输送的，但光是不能沿着普通金属线输送的。为此，科学家们研制出来一种能传输光的细丝，叫做光导纤维，简称光纤。光线是用特种玻璃材料制成的，直径比人的头发丝还要细，通常为50～150微米，而且非常柔软。
激光通信先进在哪里？激光通信的优点首先是容量大。它的容量有多大呢？当我们平时打电话时，讲着讲着有时会串来不相关的说话声。这种打架现象是由于一对电话线上只能通过一路电话，正常的通话双方就会受到干扰。假如有10对人同时用一对电话线通话，就等于20个人同时讲话，那就根本无法通话了。为了解决这个问题，就必须采用载波等方法，使各路电话分别处于各个频段上。由于普通电话的频率范围为300～400赫，而在一对电话线上最高频率只有1500千赫，所以在一对电话线上只能同时通过十几路电话。显然，这样的电信容量是远远不能满足当今信息社会的要求的[4]。
4.2材料加工
钻孔、切割、焊接以及淬火，是加工金属材料时最常用的操作。自从引进了激光后，在加工的强度、质量以及范围等方面开创了全新的局面。除了金属材料外，激光还能加工许多非金属材料。
激光钻孔机在激光钻孔机问世之前，对各种机械零件钻孔靠的是电动钻孔机或冲床。但机械钻孔不仅效率低，而且钻出的孔洞表面不够光洁。激光钻孔的原理，是利用激光束聚集使金属表面焦点温度迅速上升，温升可达每秒l00万度。当热量尚未发散之前，光束就烧熔金属，直至汽化，留下一个个小孔。激光钻孔不受加工材料的硬度和脆性的限制，而且钻孔速度异常快，快到可以在几千分之一秒，乃至几百万分之一秒内钻出小孔。
激光切割机知道了激光钻孔的原理，就容易理解激光为什么可以切割金属材料了：只要移动工件或者移动激光束，使钻出的孔洞连边成线，就自然能将材料切割下来了。而且，不论是什么样的材料，如钢板、钛板、陶瓷、石英、橡胶、塑料、皮革、化纤、木材等，激光都如一柄削铁如泥，削木如灰的光剑，而且，切割的边缘非常光洁。
激光焊接机激光之所以能用来焊接，是因为它的功率密度很高。所谓功率密度高，是指在每平方厘米面积上能集中极高的能量。激光的功率密度有多高呢？我们可以作个比较：工厂里通常用于焊接的乙炔火焰能将两块钢板焊在一起，这种火焰的功率密度可以达到每平方厘米1000瓦；氩弧焊设备的功率密度还要高，可以达到每平方厘米10000瓦。但这两种焊接火焰根本无法与激光相比，因为激光的功率密度要比它们高出千万倍。这样高的功率密度不仅可以焊接一般的金属材料，还可以焊接又硬又脆的陶瓷。
激光淬火传统的淬火方法十分简单，先将刀刃烧红，然后骤然浸到冷水里，经过这一热一冷的处理，刀刃的硬度就大为提高。不过，这样淬火显然不太方便，效果也不一定理想。
激光淬火，是用激光扫描刀具或零件上需要淬火的部位，使被扫描区域的温度升高，而未被扫描到的部位仍维持常温。由于金属散热快，激光束刚扫过，这部位的温度就急骤下降。降温越快，硬度也就越高。如果再对扫描过的部位喷速冷剂，就能获得远比普通淬火要理想得多的硬度[5]。
4.3激光照相排版
照相排版实际上是引入了光学摄影原理。用活字排版，必须根据书稿，依样画葫芦地检出各种大小、字体不同的铅字和符号进行排版。而照相排版要简便很多，它是通过排字机上的透镜，来改变字样的大小和形状的。至于用透镜为什么就能改变字样的大小和形状，这实际上就等于我们照“哈哈镜”。
用照相排版时，只需将光源通过透镜把需要的文字和符号，在感光相纸上成像，再经过显影和定影就形成了照相底片。然后，只要像印照片那样印刷就行。
照相排版可使用两种光源，刚才讲的是普通光源，相比之下，激光排版省时省力。由于激光亮度高，颜色浅，可以大大改善图像的清晰度，印出来的书质量自然就高。它的原理是怎样的呢？首先通过计算机把文字变成一个个点，然后用点来控制激光扫描感光底片，才真正拍摄出全息照相。
更令人感兴趣的是，目前全息照相还被用来拍摄全息电影和电视，不久观众会看到真实生活的图像画面了。即用激光“撞”击底片上的感光涂料，留下无数个对应的点，这些点经显影、定影后就重新变成文字或图像。这里，激光束相当于电子束，感光底片相当于电视机荧屏。接下来，用载有文字和图像的底片就可
以去印书报杂志了。彩色电视机之所以能显示红、绿、蓝三色，是由于荧屏上涂有三色荧光粉，它们在电子撞击下会显出三种颜色。而激光照相排版也可以采用类似的原理，印刷出优美的彩色画面来。
4.4激光在医学上的应用
激光应用在医疗器械领域的成果是很多的，它可以扮演钻头、手术刀、焊枪等多种角色。
焊枪和钻头在眼科，激光主要是用来治疗视网膜剥离。视网膜剥离是一种很棘手的疾病，患者的视网膜与眼球内壁脱开，无法产生视觉。在激光没有问世之前，病人恐怕难免失明的苦难。
现在，医生可以用激光器对准病人眼底，使激光器发射出一束激光，通过加热使视网膜重新与眼球内壁合在一起。整个过程要不了几分钟，激光束就像焊枪一样，将病人的视网膜焊接好了。
除了焊接外，激光这把焊枪也可以用于切割。 白内障是老年人的常见病。病人的眼球前部的凸透镜——晶状体，由原来透明的弹性体渐渐变得混浊无弹性，光线就不能通过晶状体，落到眼底的视网膜上，病人逐渐看不见东西。治疗白内障的传统办法是，将眼球前部切开一条口子，然后从小口子中伸进一根细金属针。这根金属针温度极低，将浑浊的晶状体冻得粘在针上，然后一起从小口子中带出，显然，整个手术比较麻烦。如果用医用激光器来治疗，不仅方便，而且效果好。只要将激光束对准眼球内晶状体的前表面或后表面发射，就可以迅速切除掉晶状体表面的混沌膜。
在牙科，激光可以代替牙钻。根据世界卫生组织统计，儿童的龋齿发病率是相当高的，大约达到75％。用激光治牙，病人几乎没有不舒服的感觉，而且只要不发炎，一次治疗就能解决问题。牙科激光器是激光器中的小弟弟，它的功率很小，只有3瓦，相当于一支节能灯，几乎不产生热量。它的发射端实际上是像头发丝那么细的光导纤维。
激光手术刀如果要使用激光刀给病人的膀胱、心脏、肝脏、胃、肠等重要内脏动手术，难度就大了。激光怎么能进入到人的内脏里去呢？这就要靠医生手中的一件宝贝了，这件宝贝就是激光纤维内窥镜。所谓内窥镜，是医生用来插到人体内直接观察器官的光学装置。但通常的内窥镜体积比较大，也比较粗糙，只能
从病人口腔沿食道插到胃里观察。插胃是十分难受的，病人会感到很痛苦。激光纤维内窥镜则完全不同。用光导纤维做成的内窥镜又软、又细、又能弯曲，当它插入病人胃里时，不会有痛苦。除了胃，光纤内窥镜还能进入其他重要的脏器内。激光纤维内窥镜一方面可用来检查病人的脏器是否有病变，更主要的是可以将激光能量输入体内脏器中，对病变组织进行照射，也即加以切除，起到手术刀的作用。而且，用激光刀切割，伤口能自动止血，不需要结扎出血点，大大缩短了手术时间，伤口也不会发炎。如果用激光刀切除恶性肿瘤，还可以防止癌细胞扩散呢[6]。
4.5激光武器
激光导弹在海湾战争中，以美国为首的多国部队向伊拉克境内发动大规模空袭，摧毁伊拉克的许多重要军事目标。最后，这场战争以伊拉克的失败而告终。有人说，海湾战争是一场先进武器的较量，这话确有道理。
美国的飞机上装有激光瞄准器，它能发射出红外激光。当一架担任侦察任务的飞机在空中发现地面目标时，就边在空中盘旋，边用激光瞄准器不断地向目标发射激光束。这种激光束实际上起着向导的作用。这时，担任攻击任务的另一些飞机就随后飞来，向目标扔下激光制导导弹。这些激光制导导弹上装有自动跟踪系统。这种自动跟踪系统等于导弹的眼睛，当导弹扑向目标时，它能根据从目标上反射回来的向导激光，不断地修正飞行中的航向，从而准确无误地击中目标。
其实，这类激光制导导弹，早在70年代，美国在越南战场上就使用过。现在不仅有空对地导弹，而且有地对地、空对空、地对空等多种激光导弹。
今天，人们已能够将无线电搜索雷达、激光雷达结合起来，组成作战系统。比如，当无线电雷达发现空中目标（敌机或导弹）后，就可以将目标的高度、方位和速度准确测量出来。只要目标进入一定范围内，激光雷达就会开启，发射出一束很细的激光束，紧紧盯住并精确测量出目标的位置，然后发射的激光导弹，会根据激光雷达提供的向导激光束，准确地命中目标，将其摧毁。这类激光导弹可以方便地部署在卡车上，也可以改装成反坦克导弹。
激光枪和激光炮所谓激光枪和激光炮都属于激光战术武器。它们的外形像枪和炮，但它们发射的不是子弹和炮弹，而是激光束，使敌方人员伤亡或失明。这类枪炮的威力大小，与本身的能量和射击距离有关。现在激光枪和激光炮的有效
射程还不远，所以死光的威力有限。
但是，激光武器的前景是无法估量的。一旦激光束的能量加大、有效距离增加，那就会成为名副其实的死光。比如，用激光炮打1万米高空中的飞机，由于激光束的前进速度是每秒30万千米，因此只需三万分之一秒的时间就能击中飞机。而在这短短的瞬间，飞机在空中仅够向前移动几厘米。这样，对于死光来说，活动的飞机实际上成了死目标，必死无疑。照此计算，即使是射向几千千米外的导弹，死光也只需花几十分之一秒，而在这个瞬间内，导弹也只能够向前飞行几十米。因此，死光有充分的时间将导弹摧毁在外层空间。
此外，激光还可以不断改变方向，对准各个目标，逐一摧毁，而且从经济上来说，制造激光炮要比制造洲际导弹便宜得多[7]。
5. 激光的前景
激光的出现引发了一场信息革命，从VCD 、DVD 光盘到激光照排，激光的使用大大提高了效率，以及方便人们保存和提取信息，“激光革命” 意义非凡。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工，激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前，激光技术已经融入我们的日常生活之中了，在未来的岁月中，激光会带给我们更多的奇迹。
结论
本篇文章主要讲了激光的一些基础知识及激光在现实生活中的应用，激光从发现到快速应用于各行各业，都体现了激光对人类的重大贡献及科技的快速发展。激光对人类社会作出了巨大贡献，但人需我们对其进一步探索，发现其潜在应用价值，对人类社会做出更大贡献。
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