激光简介

激光简介

学生姓名：马菲 学号：20085040069 单位：物理电子工程学院 专业：物理学

指导老师：冯明海 职称：讲师

摘要：激光技术开始于九十世纪六十年代，经过四十多年的发展取得了巨

大成就。如今，激光技术已经渗入科技·军事·医疗·通信等诸多领域，为人类社会的发展进步做出了巨大贡献。本文主要就激光发展简史，激光产生原理，激光器结构，激光器类型，激光的特征及应用几个方面堆积光做简单介绍。以加深大家对激光基础知识的了解和掌握。

关键词：激光，激光发展简史，激光产生原理，激光器结构，激光器类型，激

光的特征及应。

Laser Profile

Abstract: The laser technology in the 90 century and the beginning of the

sixties, After 40 years of development has made great achievements. Today, laser technology has already infiltrated into science and technology ? Medical ? Military ? Communications and many other fields, for the development and progress of human society has made tremendous contributions. In this paper, on the brief history of laser development, laser-produced the principle of laser structures, laser type, laser characteristics and the accumulation of several aspects of the application of light to do a brief introduction. To enhance the basic knowledge of the laser to understand and grasp.

Key words: laser, laser history, laser-produced the principle of laser

structures, laser type, laser characteristics and should be.

前言：我们大家有许多人对激光的了解都很浅，有关激光的知识还很少。

随着激光技术的发展，激光越来越引起人们的关注，人们对激光的兴趣也越来越浓，我们每一位同学都对激光由一个更深的了解。激光在我国最初被称为“莱塞”，及英文“Laser”的译音。在1964年10月我国著名科学家钱学森院士建议称为“激光”以更明确地表明是光的受激发射，得到采纳后一直沿用至今。。。。。。

一，激光技术的发展史简介

早在1917年，爱因斯坦就曾发表过一篇论文提出了一种现在叫做光学感应吸收和光学感应发射的观点（又叫受激吸收和受激发射）。爱因斯坦的这一观点后来成为激光发展的主要物理基础。在此之后，经过四十年时间，才有人在这一领域

发表论文。直到1958年，美国两位微波领域的科学家汤斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw)才打破了沉寂的局面，发表了著名论文《红外与光学激射器》，指出了受激辐射为主的发光的可能性，以及必要条件事实现“粒子数反转”。他们的论文史在光学领域工作的科学家马上兴奋起来，纷纷提出各种实现粒子数反转的实验方案，从此开辟了崭新的激光研究领域。同年苏联科学家巴索夫和普罗霍罗夫发表了《实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议》论文，1959年9月汤斯又提出了制造红宝石激光器的建议，1960年5月15日加州休斯实验室的梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了波长为694.3nm的激光。梅曼是利用红宝石晶体做发光材料用发光密度很高的脉冲氖灯做激发光源，实际他的实验早在1957年就开始了，多年的努力终于造就了历史上第一束激光。汤斯，巴索夫和普罗霍罗夫也由于对激光研究的贡献与1964年份现了诺贝尔物理学奖。

世界第一台红宝石激光器问世不久，在1960年，工作在贝尔实验室的贾范发明了世界上第一台氦氖激光器，并且在其影响下产生出一系列气体激光器。 此后，1962年出现了半导体激光器；1964年由帕特尔（C.patel）发明了第一台CO2激光器；1965年发明了第一台YAG激光器；1968年开始发展高功率CO2激光器；直至1971年出现了第一台商用1KWCO2激光器。短短几十年的时间，激光技术取得了巨大的突破和发展。

我国第一台固体激光器是由王之江领导建立的固体红宝石激光器，与1961年8月在中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功，第一台气体激光装置（氦氖激光器）由邓锡铭领导建立，于1963年7月也是在中国科学院长春机械所研制成功。其后在该所相继由王乃弘建立了镓砷半导体激光器；刘颂豪，沃新能用所里生产的晶体建立了氟化钙激光器；干福喜等建立了铷玻璃激光器；刘顺福建立了含铷钨酸钙晶体激发器；吕大元，余文言建立了转镜Q开关激光器。中国人民凭借自己的才智在激光领域所取得的成就也是显著的。

二、激光产生原理

1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射

普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外

来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 hυ=E2-E1这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。

在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为 N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}

式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则 N2/N1∝exp（－400）≈0

可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。 2、受激辐射和光的放大

由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量

子数n(n=1,2,?）决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有

轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln＝nh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。

量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l（角动量量子数）量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射。量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l（角动量量子数）量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射受激辐射的概念世爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。

受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。 3、粒子数反转

一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。

三、激光器的结构

激光器一般包括三个部分。

1、激光工作介质

激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。 2、激励源

为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使

处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。 3、谐振腔

有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回

到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。

四、激光器的种类

对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固

体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。另外，根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大，还可以按发光的频率和发光功率大小分类。 1、固体激光器

一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这

种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达109W。 2、气体激光器

气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的有点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一种。 3、半导体激光器

半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。

4、液体激光器

常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。

五，机关的特点及应用

在高中时，我们就从书中学习到，光是从物质的原子中发射出来的，原子获得能量后处于不稳定状态，便以光子的形式把能量发射出去，激光是人类在实验室里激发出来的一种自然界没有的光。40年来，激光已经深入我们生活的各个领域。打长途电话，看VCD，医院里做手术，煤矿里挖掘坑道......激光作为自然界中没有的光有着自己独特的特点：

1，激光是人工产生的相干光，频率相等，步调相同。所以激光能像无线电一样进行调制，用来传递信息。光纤维就是激光和光导纤维结合的产物。 2，激光的平行度非常好，长距离传播后仍能保持一定的强度。科学家们利用激光的这一特性可以进行精确的测距。激光测距雷达就是根据这医院里研制成的，激光雷达已经广泛运用于军事，科研等领域。

3，由于平行度好，激光可以聚到很小的一点上，让这一点照射到VCD，CD唱机或计算机光盘上，就可以读出光盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图像。从此，音像电影便广泛地融入人们的生活中。

4,激光的亮度很高，可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。如果把强大的激光束汇聚起来照射扫物体上，可使物体被照射部分在不到千分之一秒的时间内产生高达几千万度的高温，再难熔化的物质也会在瞬间汽化。因此，可以利用激光束来切割各种物质，焊接金属以及在硬质材料上打孔等。在医学上可以

用激光作为“光刀”来切开皮肤，切除肿瘤，还可以用激光“焊接”剥落的视网膜。激光技术的发展和应用，给人们生活带来了巨大的改变。

结论：本文对激光做了一个比较全面的简单介绍，旨在帮助大家对激光技术的

了解。

致谢：衷心地感谢我的指导老师冯明海老师，感谢他的悉心关怀和精心指导，

自写做论文至审阅论文，冯老师倾注了很多的心血。导师渊博的知识、开阔的思路、高度的责任感与严谨的治学作风更是我学习的典范，在此向导师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢！

参考文献：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p56g.html