激光原理及其应用简介

激光原理及其应用简介

内容摘要

继原子能、计算机、半导体之后，激光是上世纪人类的又一重大发明。早

在1917年，著名物理学家爱因斯坦就发现了激光的原理，但直到1958年，激光

才被首次成功制造。它一问世，即获得超乎寻常的飞快发展，不仅使古老的光学

及其技术焕发青春，也生发了许多新兴的学科。激光正以特殊的方式深刻影响着

人们生活。本文描述了激光的基本原理和特性，并在此基础上简单地介绍了下蹲的正确姿势 激光

技术在工业、信息、军事等几个领域内的重要应用及发展前景。

关键词：

激光 受激辐射 粒子数反转 相干性

一、激光发展史

激光技术的启蒙研究发展就完全印证了上面的话。最早对激光做出理论研究

的人是爱因斯坦，1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念，即处于高能级的原子受

外来光子作用，当外来光子的频率与其跃迁频率恰好一致时，原子就会从高能级

跃迁到低能级，并发射与外来光子完全相同的另一光子，新发出的光子不仅在频

率方面与外来光子相一致，而且在发射方向、偏振态以及位相等方面均与外来光

子相一致，因此，受激辐射具有相干性；在发生受激辐射时，一个光子变成了两

个光子，利用这个特点，可实现光放大，并且能够得到自然条件下得不到的相干

光。

受激辐射提出后，陆续有科学家进行研究。如1916-1930年间拉登堡及其合

作者对氖的色散的研究并于1933年绘制出色散系数随放电带电流密度变化的曲

线。1940年法布里坎特首先注意到了负吸收现象。这一阶段发展并不迅速。到了

第二次世界大战之后，1947年兰姆和雷瑟夫指出通过粒子数反转可以受激辐射，

从此激光理论的研究开始突破。1952年帕塞尔及其合作者实现了粒子数反转，观

察到了负吸收现象。第二年，韦伯产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放

大电磁波的思想，进而提出了微波辐射器的原理。1957年斯科威尔实现了固体顺

磁微波激射器。既然微波可以激发受激辐射，那么红外乃至可见光等也应该可以。

1958年汤斯和肖洛发表了著名的“红外与光学激射器”一文，1959年汤斯提出了

建造红宝石激光器的建议。终于1960年由休斯航空公司的莱曼建造出第一部可用

的激光装置。（我国第一台红宝石激光器于15个月后的1961年8月建成。）从此人

类拥有了激光这一利器。

由于生产技术不成熟，激光技术产生之初并未有太多实际用途。后虽有切割，

光束武器等应用，但又受制于制造成本高昂和气候条件复杂等。几十年来各方面

工程师和专家一直努力改进创新激光技术及应用，随着激光技术的发展成熟，今

天，它已经广泛地应用于生产生活的各方面。

二、激光产生原理

2.1、激光产生的物质基础

光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器

的物理基础。爱因斯坦认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃

迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。为了简化问题，我们只考虑原子的

两个能级和，处于两个能级的原子数密度分别为和，如图2-1所示。

En

12

En

21

构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为，并有。



EEh

21



E

2

E

1

图2-1二能级原子能级图

（Ⅰ）、自发辐射

处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发射一个能量为的

E

2

E

1

h



光子，这种过程称为自发跃迁过程，如图2-2所示。

E

2

E

2

自发辐射光

hEE



21

E

1

E

1

图2-2原子自发辐射

（Ⅱ）、受激辐射

处于高能级的原子在满足的辐射场作用下，跃迁至低能级

E

2



(EE)h

21

E

1

并辐射出一个能量为且与入射光子全同光子，如图2-3所示。受激辐射跃

h



迁发出的光波称为受激辐射。

EE

11

入射光

hEE



21

入射光

hEE



21

图2-3原子受激辐射

（Ⅲ）、受激吸收

受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级的一个原子，在频率为的

E

1



辐射场作用下吸收一个能量为的光子，并跃迁至高能级，这种过程称为受

h



E

2

激吸收，如图2-4所示。

E

2

E

2

入射光

hEE



21

E

1

原子吸收入射

E

1

图2-4原子受激吸收

受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。自发辐射是不相干的；受激辐

射是相干的

2.2、激光产生的基本原理和方法

2.2.1光学谐振腔及其选模和反馈作用

由受激辐射和自发辐射相干性可知，相干辐射的光子简并度很大。普通光源

在红外和可见光波段实际上是非相干光源。如果能够创造这样一种情况：使得腔

内某一特定模式的很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式





内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某一特定模

式内，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各种技术措施减少腔内光

场模式数、使介质的受激辐射恒大于受激吸收等来提高光子简并度，从而达到产

生激光的目的。

光腔的反馈作用——光放大器在许多大功率装置中广泛地用来把弱的激光

束逐级放大，但在光放大的同时通常还存在着光的损耗，根据研究光强达到稳定

的极限值只与放大器本身的参数有关，而与初始光强无关。特别是，不管初始光

强多么弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强稳定极限值，而实际

上，既不需要给激活物质输入一个弱光信号，也不需要真正把激活物质的长度无

限增加，而只要在具有一定长度的光放大器两端放置前述的光学谐振腔。这样，

沿轴向传播的光波模在两反射镜间往返传播，就等于增加放大器长度。这种作用

称为光学谐振腔的反馈作用。

2.2.2光的受激辐射放大条件

实现光放大的两个条件：①激励能源——把介质中的粒子不断地由低能级抽

运到高能级去；②增益介质——能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转

分布状态。

2.2.3产生激光的基本条件及激光器的组成部分

产生激光的基本条件是：①能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转

分布状态的增益介质；②要使受激发射光强超过受激吸收，必须实现粒子数反转

nn0

21

g

2

）；③要使受（方法是利用外界激励能源把大量粒子激励到高能级。

g

1

激发射光强超过自发发射，必须提高光子简并度（方法：利用光学谐振腔造成

n

强辐射场，以提高腔内光场的相干性。）。

激光器的组成部分及其作用：一个激光器应包含泵浦源、光放大器和光学谐

振腔三部分。其作用分别是使激光物质成为激活物质、对弱光信号进行放大、模

式选择和提供轴向光波模的反馈。

三、激光的特性

（一）方向性好

所谓方向性是指光束在传播过程中的发散程度。光束的发散角越小，他的方

向性就越好，对于普通光源，比如常见的日光灯，白炽灯，它们的方向性就不好，

向四周漫射，可以照亮房间的各个角落。而激光就不一样，它只朝一个方向发射，

并且发散角很小，几乎就是一束平行的光，所以方向性好，可以照射远处的物体。

我们从地球上发射激光束，可以照亮月球表面，由于发散角小，形成的光斑就小，

普通光源做不到这一点„„。即使有功率极强的探照灯，能达到月球上，形成的

光斑将覆盖整个月球表面。由此可见，激光的方向性要比普通光源好得多。

（二）亮度高

激光发散角很小，因为发散角小，激光的能量就是高度集中，所以亮度很高，

激光的亮度能达到太阳光亮度的几百亿倍，我们都知道，用透镜把阳光聚焦，可

点燃火柴和纸片，如果把这种高能量的激光用透镜聚焦，可想而知，产生的威力

会非常的大。在直径百分之几毫米的范围内，可产生几百万高温„„压强„„电

场。在这种情况下，任何物质都会化为灰烬。

（三）单色性好

前面已经学过，光是一种电磁波，对于常见的自然光，既白光来说，它是由

红橙黄绿青蓝紫多种颜色组成，每一种颜色的光都对应一定范围的波长，而激光

只有一种颜色，且对应的波长范围非常小。我们可以把激光同普通光源中单色性

最好的氪灯来进行一下比较，氪灯的波长范围 ，而普通的He-Ne激光

器产生的激光的波长范围 ，一个是10，一个是10，从这里可以看出，激

-4-9

光的波长范围只有氪灯的二十万分之一，可见激光的单色性要远优于普通光源。

（四）相干性好

相干性是指两束同频率、同方向、同相位的光在相遇时，会在光屏上形成明

暗相间的干涉条纹。因为激光的单色性很好，满足相干光束的一切条件，所以它

的相干性也相当的好。

四、激光的应用

1、激光测量

利用激光亮度高和方向性极好的特点，人们先后研制成功了激光测距仪、激

光雷达和激光准直仪。1969年阿姆斯特朗登月安放了反射镜，然后由地面发射激

光至月球，再测量反射回来的光，测定了地月精确距离。激光雷达可以获取目标

的三维图像及速度信息及速度信息，还可对作文变形记 大气进行监测，遥测大气中的污染和

毒剂。军事上的激光制导武器，使打击目标的精度显著提高，实际上，激光制导

与激光雷达是分不开的。激光准直仪也在生产和科学实验中发挥着重要的作用，

比如矿井坑道的挖掘机导向等实际应用。

2、激光在第一产业的应用

激光可用于光诱变育种，也可消防安全读后感 对农作物种子进行处理，提高产量，培育出新

的品种。在飞机上安装激光装置，可以识别需要喷洒农药的树木，避免喷到空地

上，减少农药用量及污染。畜牧业方面，经过激光处理的草料特别容易被吸灰指甲早期症状 收，

处理过的山羊精子能更方便地进行人工授精。

3、激光在文娱教育和科学研究中的应用

在我们的生活中，激光产品和技术实在数不胜数。比如CD，VCD，DVD，

BD光盘制品；激光打印机复印机扫描仪，激光照排机；商场中商品上的防伪标

签，条形识别码，教师用的激光笔，文艺演出中的激光舞台等。虽然电脑中使用

的是电讯号，但电脑厂商也在一步步发展光电脑，可以预见的将来，电子计算机

中数据的传输必将抛弃电子，转向光子。

在科学研究中，激光技术使得物理实验的面貌极大地改观。激光除可以用于

光学研究，还可以用于电子加速，用于量子力学实验，用于核物理研究等等。

4、激光在基础工业中的应用

激光技术在工业中可用于材料切割、焊接、打孔、表面处理、快速成型等。

在半导体工业中，激光更是光刻技术的基础。

5、激光在通讯存储的应用

随着技术进步，激光已经可以进行大气通讯。不过限于成本，其应用前景主

要在军事上。在民用领域，光纤通信在现代生活中起的基础作用更是不言而喻。

因特网如今深入千家万户，虽然电脑使用电磁信号，但是其实因特网上绝大部分

信息是通过光波的形式传送到遥远的他处的。

6、激光在医疗上的应用

激光美容，激光切除肿瘤，激光视力矫正，激光微创手术等等，在生活中已

经很常见了。同优势近义词 时激光与生物体的作用产生如热效应、压力效应、光化效应、电

磁效应等，应用前景也非常广阔。

7、激光与能源

激光在能源利用上也有自身独特的优势。比如在核能应用中，可用激光分离

同位素，提纯核原料。在机器人工业中，日本提出利用激光远程为在恶饭的成语 劣环境或

太空中工作的机器人供能，从而解决更换电池，携带电缆等问题。人工可控核聚

变是解决人类能源问题的一个非常好的办法，而实现人工可控核聚变的一个重要

前景就是用高强度激光将核子打压在一起使之反应。

8、激光与军事

军事上除使用大气激光通讯和光纤通讯（想必大家都见过写有诸如“下有军

事光缆，严禁开挖”字样的告示牌）等。高能激光器东北菜系 更是军事科技的宠儿，因为

激光能量高，破坏力惊人，激光以光速传播，发射不需要计算提前量等，也没有

后坐力，可以迅速变换射击方向，在短时间内攻击多个目标。从60年代开始，美

国和苏联就开始开发激光武器，70年代美国“星球大战”计划中更是优先考虑发

展激光武器。90年代，以海湾战争为标志，激光制导炸弹等精确打击武器改变了

世界军事发展方向。然而，大型激光器作为武器有很多问题至今仍没有得到很好

解决，激光直接作为武器当前主要还是用于非致命性打击，如对人的致盲，对军

事设施的光敏装置的破坏等。

从上面我们看到激光从提出到变为现实的发展史用了几十年，从初生到今天

无处不再又是几十年，激光及应用实际上是随着地狱来电 社会需求的进步而得以发展。激

光的出现和发展又带动了光学，实验等学科的发展。从社会角度看，激光的产生

改变了人们的生活，使之更加方便快捷。当然，激光技术还会发展下去，科学的

进步将会使它更加有力地服务于人类。

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参考文献

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