1、关于激光技术应用的研究分析 王朋欣0 毕 业 设 计（论文）题 目： 关于激光技术应用的研究分析 学生姓名： 王 朋 欣 学 号： 120032125 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测控1班 指导教师： 张 令 2016年 5 月 20 日 关于激光技术应用的研究分析摘要：激光听起来离我们生活挺远，但激光却是上个年代最大，且对人们最有用的发明技术，是一个可以和各种高端科技技术如航天、计算机相提并论的令人叹惊、令人瞩目的高端重大的科技发明。激光历经50多年的不断发展壮大，激光的应用已经渗透到我们生活的各个领域，包括军事、医学、美容等科技领域，远远的超出了研究人员的预料：激光美容、激光手术、
2、全息照相、激光焊接淬火、激光测距等等，相信在不远的未来，激光技术将涉及更多生活领域，给人们的生活提供更优质的便利。本文简单介绍了激光的产生及意义，激光的基本原理特性，简述了激光技术及在现实生活中的应用，最后分析了目前我国在激光技术方面的不足及对未来激光技术发展的展望。关键字：激光技术 原理和应用 研究分析 展望Research and Analysis on the application of laser technologyAbstract:Laser sounds pretty far away from our lives, but laser is a s biggest and o
3、n one of the most useful invention is a and a variety of high-end technology such as aerospace, computer mentioned in the same breath a sigh surprised, remarkable high-end major scientific and technological inventions. Laser after 50 years of continuous development grow, the application of laser has
4、 penetrated into every field of our life, including military, medical, beauty and other fields of science and technology, far beyond the researchers expected: laser beauty, laser surgery, holography, laser welding quenching, laser ranging, etc., I believe in the near future, laser technology will in
5、volve more life collar Domain, to peoples lives provide better convenience. This paper briefly introduced the emergence and significance of laser, laser characteristics of the basic principles, describes the laser technology and application in real life, the final analysis of the current Chinas defi
6、ciencies in laser technology and laser technology development in the future prospect.Keywords: laser technology theory and application research and analysis expectation目录1引言.1.1 研究背景和意义.1.2 研究内容.1.3 研究过程与研究方法.2 激光的概述. 2.1激光的发展现状. 2.2激光特性的简介.2.3激光产生的意义.3激光原理.3.1 激光产生的物质基础. 3.1.1自发辐射产生. 3.1.2受激辐射产生. 3
7、.1.3受激吸收.3.2 激光产生的原理及方法. 3.2.1 光学谐振腔. 3.2.2 光受激辐射放大的条件. 3.2.3 激光器的组成.4激光技术的应用. 4.1 激光技术在医学领域的应用. 4.2激光技术在军事上的应用.4.3激光技术在通讯行业的应用.4.4 激光技术在工业领域的应用.5 我国激光技术存在的问题.6 激光技术的发展前景.结 论.参 考 文 献.致 谢.1引言1.1研究背景和意义1960年初，激光技术产生，紧接着被称为新能源的领头，它是集原子技术、光学理论、电子理论、量子技术与一身的一种高新技术。至今，激光技术已经被广泛应用于现实生活的各个领域，包括：工业领域、农业领域、医学
8、领域、军事武器、科学技术研究等各个领域范围，尤其是激光光源，又一次创造了人工制造光源的历史，为我国的经济发展带来巨额利益。在我国，激光技术问世开始就飞速发展，我国研发的激光技术在数量和质量上水平都很高，和国际水平相近。激光作为一项创新型技术以最快的速度跻身世界前列，在我国科学技术发展历史中并不多见。激光是人类发明史上的又一重要发明，人们可以利用激光前所未有的方法让生活变得更加便利，人类称激光是世界上“最亮的光”。1.2 研究内容 本文简单介绍了激光的产生及意义，激光的基本原理特性，简述了激光技术及在现实生活中的应用，对生活带来的种种好处和便利，最后分析了目前我国在激光技术方面的不足及对未来激光
9、技术发展的展望。1.3研究过程与研究方法本文讨论的是现状已经很成熟的激光技术及应用，所以，本文主要采用的是查阅各种文献，对现用的这些资料进行相应的分析和讨论。研究的过程：首先做研究的准备工作，找好材料，研读各种相关研究的论文、期刊杂志以及网络资料，第二搜集相关研究的实用资料，确定研究的内容和研究目的，选定研究的方法并制定研究步骤计划书，然后在指导老师的帮助下按照计划书任务进行研究并完成研究论文的写作。研究方法： 文献分析法：结合激光方面的书籍，通过在图书馆和网上搜查资料，整理出关于激光技术的原理、应用的资料、各种论文、研究报告，分析整合观点，寻求论据，最终对激光技术未来的发展进行总结和愿景。2
10、 激光的概述2.1 激光的发展现状世界闻名的物理学家爱因斯坦在1916年得出了激光原理，1960年激光被首次研发成功。激光的产生不仅需要理论的准备，还靠生产实践的迫切需求，所以激光一被研发出来，就以令人惊异的速度迅速发展。激光是古老的光学科学技术的延续，也是一个新兴产业的兴起。激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。四十年来，以激光器为基础的激光工业在全球发展势头迅猛，现在以广泛应用在工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事等各个领域，对国民经济及社会发展做出巨大贡献，今后在国际竞争中的战略地位将会进一步提升。1961年，中国研发出第一台激光器，随后，激光技术在我国迅速发
11、展，在激光科研行业、教学领域、生产领域等各个领域的共同奋斗下，我国形成了水平先进、门类齐全应用范围广的激光科技领域，并取得了一系列令人振奋的进步，为我国经济、科学、国防作出了重大贡献，也在国际上占有重要位置。尽管如此，我国的激光技术和国外的仍有些差距，大多高端的激光设备几乎都是引进国外技术，导致国外激光装备占我国市场70%的份额，所以，我们要加快解决国内激光技术产品的空白，还要重视激光技术的核心问题。2.2激光特性简介激光也叫镭射，是它英文名字LASER的音译，是Light Amplification by Stimnlated Emission of Radiation的首字母的缩写，意思是
12、“受激辐射的光变大”。爱因斯坦提出受激辐射理论：在组成物质的原子中，有不同数量的电子分布在不同的等级上，在高能级的电子受到某种光子的激发，会从高能级跃迁到低能级上，这时将会辐射相互与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发一个强光的现象，这就叫做“受激辐射的光变大”，简称激光。激光有四大特性，亮度极高、定向发光、相干性极好、颜色极纯。第一，激光亮度极高，是当今最亮最耀眼的光源，和氢弹爆炸的瞬间发出的强烈的光一样。激光有个缺点就是总能量不大，但是，激光的能量非常集中，在某一微小的点处激光极其容易产生高压和高温，高温高达几万甚至到几十万摄氏度。所以，激光经常被用来切割、打孔，甚
13、至还可以来做外科手术。 第二，激光定向发光，甚至可以向小于几毫弧度的立体角内发光，这就可以使照度提高上万倍。因为激光方向性好，所以激光常常被用来测距、准直、导向。第三，波动有一种属性就是干涉，因为激光能定向发光且亮度极高，所以激光的相干性极好。全息照相就应用了激光的这一特性。第四，激光颜色极纯，激光的波长不像普通光源那样发出的光里有好多种波长，混合着各种颜色的光，而它的光只集中在十分窄小的光谱波段或者频率范围内。激光这一特性给精密仪器测量提供了巨大便利。激光因有以上四个特性，激光技术已经应用到国内各个行业。由此，也赋予了激光强大的生命力。2.3激光产生的意义激光是世界新型能源，不仅清洁，而且绿
14、色。最重要的是激光生产成本低，效率高，生产加工时稳定安全，经济利润高，社会效益好。各个国家特别是工业发达的国家，都在积极使用激光加工技术，来增强国民经济。据了解，1998年全世界的激光技术产业收入647亿美元之多， 我国的激光技术行业收入高达1亿美元。关于激光规模的问题，我国还远远落后，这源于我国制造水平差。激光技术应用的要点是激光器光束的好坏，然而，我国研发的激光器对光束的质量怎样还不确定。另外，激光技术融多种学科、专业与一体，还要掌握相关技术，这些因素也制约着激光技术的发展。所以，要想赢得市场，促进激光技术的更大范围的使用，就要更加重视光束的质量，提高制造水平。3激光原理3.1激光产生的物
15、质基础根据光量子学说，光是一种光子流，它以光速c运动，光子和其他粒子具有一样的特征，也有动量、质量及能量。它的粒子属性和波动属性的关系如下：（1）E表示光子的能量，v表示光波的频率，它俩之间的关系为： E=hv 公式（3-1） （2）m是光子的运动质量，可有以下公式： 公式（3-2）光静止时质量为零；（3）P是光子的动量，P与单色平面波的波矢kd的关系： 公式（3-3） (2) 光子存在着两种可能的独立偏振状态，在光波场中对应两个独立的偏振方向；(3) 光子的自旋量子数为整数。激光器的物理基础就是光与物质共振相互作用中的受激辐射过程。根据爱因斯坦的光量子概念，推导了黑体辐射的普朗克公式，结论认
16、为光和物质原子的相互作用过程包括三部分，有原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁。现在从原子的两个能级E1和E2，这两个能级的原子数密度为n1和n2，如图可知，组成黑体原子中的辐射场能量密度为，公式： 公式（3-4） E2E1 图3-1：二能级原子能级图 3.1.1 自发辐射产生自发跃迁过:高能级E2的一个原子自发的向低能级E1跃迁，并发射一个光子，能量为hv,如图是自发辐射的过程：3.1.2受激辐射产生当受到外来的能量=hv=E2-E1的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子，即频率、偏振、位相和传播方向完全一样，因此受
17、激辐射与外来辐射是相干的，换句话说外来辐射被放大了。如下图： 当外来激励光子能量为高低两能量级能量差=hv=E2-E1时，才能发生受激辐射，光的受激辐射过程是产生激光的基本过程。3.1.3 受激吸收受激吸收是处于低能级E1的原子受到外来光子（=hv=E2-E1）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程，如下图：受激辐射特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。自发辐射和受激辐射相干性不同。自发辐射是自发过程，不受外界的辐射场影响，因此大多原子的自发辐射场的相位分布不规则，不相干；而受激辐射的发光过程需要外界辐射场的影响，受激辐射
18、的光子和入射光子是同一光子态，且相干。3.2激光产生的原理及方法 激光产生的主要条件有三个：一是，有激光工作物质：其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构，能够实现粒子数反转，产生受激光放大；二是，有激励源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少的高能级上粒子数，使激光上下能级之间产生集居数反转；三是，有光学谐振腔：使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡，提高光能密度。3.2.1光学谐振腔二十世纪六十年代以来，光学谐振腔技术飞速发展，激光器中应用光学谐振腔有效的增强了光束的质量。下面主要研究稳定光学谐振腔。本来在谐振腔中，光是在两个反射镜中来回反射，所谓稳定腔，就
19、是确保光在腔内来回反射时始终在谐振腔内，不能离开。所室温T=300K，当=30的微波辐射时,；当=60m的红外辐射时， =1；当=0.6m的可见光辐射时,由上可知，普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。3.2.2光的受激辐射放大条件激励能源和增益介质是实现光放大的两个条件。介质中的粒子不停的从低能级跃迁到高能级的过程就是激励能源，而增益介质是在外界激励能源的影响下产生粒子数密度反转分布状态。在热平衡状态，腔内物质原子数按能级分布应服从玻尔兹曼分布： （g为能级简并度）可知，因E2E1,所以n2n1,也就是说在热平衡状态下，低能级集居数永远大于高能级粒子集居数，当频率v=(E2-E1)/
20、h的光通过物质时，受激吸收光子数3.2.3激光器的组成激光器由泵浦源、光学谐振腔和光放大器组成。泵浦源的作用是把激光物质变成激活物质；光学谐振腔的作用是模式选择和提供轴向光波模的反馈；光放大器的作用是对弱光信号进行放大。4激光技术的应用激光技术应用已广泛，遍布各行各业，下图4.1为中国激光产业行业结构：4.1为中国激光产业行业结构4.1激光在医学领域的应用医学应用激光技术最早，也是最多的，激光技术为医学提供了很大的便利。从1960能全球第一台红宝石激光器问世，第二年，眼科就应用了红宝石激光视网膜凝固机治病。至今，激光医疗设备在医学临床上应用已有十几种。眼科、外科、美容、理疗等等都用到了激光技术
21、。医学上主要用激光诊断和治疗，激光诊断是以激光为信息载体，而激光治疗是以激光为能量载体。多年来，激光技术解决了许多医学难题，对医学的进步有很大的贡献。当今，激光技术在医学新技术研发、新设备研制等方面都必不可少。下面主要介绍激光美容和激光手术。激光美容目前发展很快且备受欢迎。激光美容利用激光产生能量高、精确聚焦的单色光，这种单色光具备一定的穿透力，且作用于人体组织可以在人体局部产生高热量，消除或者破坏坏的组织。此外，脉冲激光有着各种不同的波长可以治疗各种血管性皮肤病和色素沉着，从而达到美容功能。相比用传统手术美容，激光美容有着传统手术无法比拟的优势。激光技术不仅可以彻底治疗各种皮肤病，而且能全面
22、修复皮肤，两全其美。使用激光美容还有一个更重要的优势，就是激光手术不用住院，且手术创伤轻、切口小，手术时不出血，没有疤痕；其次，用激光技术手术恢复的快，不会对日常生活造成困扰，且不会反复出现病症。 激光手术在医学上还是一把手术刀，具有很好的选择性，而且出血少，用激光技术对人体的某些部位和器官做手术比常规手术刀最有优越性。用激光刀切骨头也是很快的，就像切皮肤一样。传统的手术切骨头要使用锯和凿，最快也要一个小时，不仅费时间而且费力，患者也要承受巨大的痛苦。使用激光刀就不同了，不仅减轻医生的劳动力度，最重要的是减轻了病人的痛苦。激光刀还有一个优点就是激光对生物组织有热凝固效应，所以它可以凝固切开的小
23、的血管，大大减少了出血量。在激光刀的辅助下，医生完成了一个个以前不能完成的任务，比如血管瘤，根本就不能动刀，因为那里太薄弱。自从有了激光刀，医生克服了这个障碍，手术成功率百分之九十。激光诊断比传统医学诊断更准确方便，激光手术刀更安全可靠，这都是传统手术远远不及的，相信，不久以后，激光诊断和治疗将是医学不可缺少的医疗手段。4.2激光技术在军事上的应用激光在军事上最主要用来研制激光武器，也用来激光雷达和激光制导。最初用激光制造武器是要利用激光的高热效应。激光还有一大特点就是每秒以30万千米射出，方向性强，不会随意拐弯，不需要前提量，还有就是激光武器反应灵敏，激光器射出的光束质量近于零，可在短时间内对不同方向的来袭目标进行打击。最具有代表性的为固体激光器。固体激光器是软杀伤武器，它可以平均输出功率在千万瓦级，能在10km内毁坏检测设备、目标设备、以及损坏人的眼睛，甚至可以致盲。
