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激光原理》课程论文（设计题 目：激光的原理、发展 历程以及应用的研究
学生姓名 学 号 2011 112 172 院 系 物 理 学 系 专 业 光信息科学与技术 年 级 2011
教务处制
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激光的原理、发展历程以及应用研究
摘要：随着科技的进步，激光的相关应用一直处于当代社会各行各业的最高端，引领着各行各业的发展。本文阐述了激光的基本原理，并在此基础上展开了这一技术的发展历程与其在军事、工业、医学等应用方面的研究分析。
关键词：激光原理 激光医用 受激辐射 微波波谱 激光武器 激光治疗 工业 正文
“激光”一词是“ LASER”的意译。“LASER”是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写。随着激光原理的提出以及科技的发展，激光这一技术已用到了现在的军事、工业、医疗、农业等多种领域。它的诞生为我们认识世界和改造世界增加了很多崭新的手段，作为社会发展科技进步的产物，它也必将促进社会的发展与科技的进步，继续深刻而重要的影响着世界。 一、激光原理
激光原理，是在激光的产生、形成、输出、传播和应用过程中，带有普遍性的、最基本的规律和道理。它可作为研究激光器件、技术及应用开发的规律及特性的理论基础之一。它从产生激光的装置——激光器的结构特点出发，研究讨论激光的产生、形成、输出、传播和应用过程的规律特征和机理。[1]
激光的最初中文名叫做“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的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。
什么叫做“受激辐射”？它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出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出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
二、激光的发展历程
激光技术的发展历程可以大致分为受激辐射概念的提出、微波波谱学的创
立、微波辐射器的问世、激光器诞生以及激光技术的发展这五个阶段。[2] <一>、受激辐射概念的提出
1905年，爱因斯坦提出了“光量子”假说，认为辐射不仅在发射和吸收过程中是以量子的形式出现的，而且辐射本身也是由光量子组成的。1909年，爱因斯坦对辐射之一概念的理解更加深化。1916年，爱因斯坦发表了《关于辐射的量子理论》，对能态之间的跃迁方式第一次给出了实际的认识，并在其中提出了受激发射的概念，为激光技术提供了理论基础。 <二>、微波波谱学的创立
二次世界大战结束前后，微波波谱学创立，随着这门新学科的发展，许多分子和原子微波波谱的发现，关于粒子数反转的可能性，以及如何利用受激辐射实现相干放大的问题，逐渐成为微波波谱学家们关心问题，他们的研究导致了微波激射器的问世。
<三>、微波激射器的问世
1925年美国物理学家托尔曼发表了有关分子在处于较高量子态期间的论文中指出“处于较高量子态的分子可以由于负吸收而补充初始光束的方式放回到较低量子态。”着意味着从理论上认识到通过受激辐射可以实现光放大。1928年，拉登伯格和科夫曼在研究由于放电而受到激励的氖气的折射率时，观测到由于受激辐射引起的负色散现象。首次从实验上证实了受激辐射的存在。
苏联物理学家法布里坎特于1940年在其博士论文中论述气体放电的发电机理时，提出分子或原子的能量分布在非热平衡分布的情况下，可用实验证实负吸收存在，同时分析了负吸收产生光放大的可能性，以及由此引起的光强度和方向性增强的问题。
1946年美国物理学家布罗赫等在做核感应实验时，测到了微波与工作物质之间的共振信号，并初次观测到了粒子数反转的实验现象。1951年，美国物理学家泊瑟尔和庞德在用氟化锂做核感应时，有意识的把加在工作物质上的磁场突然反向，在核自旋系统中造成了粒子数反转。
在以上实验和理论的基础上，1954年7月美国物理学家汤斯和他的小组研制成功了世界上第一台利用受激辐射原理工作的新型微波振荡器。他的研制成功
为激光器的问世做了全面的准备。 <四>、激光器的诞生
1960年7月7日，发出世界上第一激光的红宝石激光器被宣布研制成功。
激光的诞生意味着光学科的一场，激光在很大范围内改变了可用的物理量。激光的亮度比普通强光源要高20个能量级。 三、激光的应用
自诞生之初至今，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。
目前，激光技术在很多领域上多有应用，如工业、医学、军事等，此外激光技术还被广泛应用于农业，通信，计算机，空间技术等领域。 <一>、激光在军事方面的应用
激光技术在军事上的应用主要是利用激光方向性强、单色性好、高亮度和高度的时空相干性特点实施常规打击、侦查与反侦察、精确制导、保密通信、姿态定位分析以及航空航天中的点火推进控制燃烧等。在攻防方面，占主动权的进攻更具优势，因此，激光在军事上最吸引人的莫过于军事武器了。[3]
激光武器有它的独特性，令它被广泛应用于防空，反坦克，轰炸机自卫等军事用途.激光之所以能成为威力强大的武器，是因为它有三个层次的破坏能力。
1.烧蚀效应：跟激光热加工原理一样，当高能激光束射到目标时，激光的能量会被目标的材料吸收，转化为热能.这些热能足以令目标部分或完全穿孔，断裂，熔化，蒸发，甚至产生爆炸。
2.激波效应：如目标材料被气化，目标材料会在极短时间内产生反冲作用，形成压缩波使材料表面层裂碎开，碎片向外飞时造成进一步破坏。
3.辐射效应：目标材料气化的同时会形成等离子体云，能产生辐射紫外线及
X光线，使目标内部的电子零件被破坏。
激光武器的优点有：无需进行弹道计算；无后坐力；操作简便，机动灵活，使用范围广；无放射性污染。
激光测距仪是激光在军事上应用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了 <二>、激光在工业上的应用
工业上广为人知的就是激光加工技术，激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工的对象的材质、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。
由于具有适应性强、加工质量好、精度高、效率高、效益好、加工方法多、无污染等优点，激光技术被广泛用于工业领域。
1.激光快速成形：用激光制造模型时用的材料是液态光敏树脂，它在吸收了紫外波段的激光能量后便发生凝固，变化成固体材料。把要制造的模型编成程序，输入到计算机。激光器输出来的激光束由计算机控制光路系统，使它在模型材料上扫描刻划，在激光束所到之处，原先是液态的材料凝固起来。激光束在计算机的指挥下作完扫描刻划，将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，造出模型。所以，用这个办法制造模型，速度快，造出来的模型又精致。该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。
2.激光切割：激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。但激光在工业领域中的应用是有局限和缺点的，比如用激光来切割食物和胶合板就不成功，食物被切开的同时也被灼烧了，而切割胶合板在经济上还远不合化算。
3.激光焊接：激光束照射在材料上，会把它加热至融熔，使对接在一起的组件接合在一起，即是焊接。激光焊接，用比切割金属时功率较小的激光束，使材料熔化而不使其气化，在冷却后成为一块连续的固体结构。激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。由于激光能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。因为用激光焊接是不需要任何焊料的，所以排除了焊接组件受污染的可
能；其次，激光束可被光学系统聚成直径很细的光束，换言之，激光可以作成非常精细的焊，做精密焊接工作;还有激光焊接与组件不会直接接触，亦即这是非接触式的焊接，因而材料质地脆弱也不打紧，还可以对远离我们身边的组件作焊接，也可以把放置在真空室内的组件焊接起来。因为激光焊接有这些特点，所以它在微电子工业中尤其受欢迎。
4.激光打孔：在组件上开个小孔是件很常见的事。但是，如果要求在坚硬的材料上，例如在硬质合金上打大量0.1毫米到几微米直径的小孔。用普通的机械加工工具恐怕是不容易办到，即使能够做到，加工成本也会很高。激光有很好的同调性，用光学系统可以把它聚焦成直径很微少的光点(小于一微米)，这相当于用来钻孔的微型钻头。其次，激光的亮度很高，在聚焦的焦点上的激光能量密度(平均每平方米面积上的能量)会很高，普通一台激光器输出的激光，产生的能量就可以高达109焦耳/厘米2，足以让材料熔化并气化，在材料上留下一个小孔，就像是钻头钻出来的。但是，激光钻出的孔是圆锥形的，而不是机械钻孔的圆柱形，这在有些地方是很不方便的。
5.激光蚀刻：激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单，可大幅度降低生产成本，可加工0.125～1微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。 <三>、激光在医学上的应用
医学方面，激光属于高端技术。激光医学在临床上的应用主要分为三大部分： 1.激光在基础医学研究中的应用：主要通过激光与人体器官组织、细胞和生物分子的相互作用来研究激光的生物效应。
2.激光诊断：是以激光作为信息载体，利用激光单色性好的特点，对组织病理形态、病理情况下的功能及找出某些致病因素等方面进行光谱分析。
3.激光治疗：是以激光作为作为能量载体，利用激光对组织的生物学效应进行治疗，多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术[4]。激光技术在医学领域最多人接触过的是激光手术，激光手术就是利用激光能产生高能量、聚焦精确的单色光，具有一定的穿透能力，作用于人体组织时能在局部产生高热量。去除或破换目标组织，达到治疗的目的，主要包括激光切割和激光换肤。这将避免人为出现的误差或者误操，最大限度的减小负面的
影响。 四、结语
随着社会的进步，科学的发展，激光的发展的随度同样的越来越快，激光的应用的范围也越来越广。自其出现以来，一直引领着各行各业的发展。但与此同时，对激光防护材料的性能要求也更加苛刻，传统的激光防护技术和防护材料已无法满足现代激光防护的要求。激光防护材料的发展趋势是实现全波段、高光密度、高透过率、高损伤阈值、低防护阈值和快速响应的新一代防护材料[5]。 五、参考文献
[1] 田来科,白晋涛，田东涛. 激光原理[M]. 第一版.陕西西安：陕西科学技术出版社. 2004年3月.第1页
[2] 倪亚茹，刘启华. 激光技术的发展历程及其主要科学技术源流[J]. 南京工业大学学报（社会科学版），2003年,67-68.
[3] 李永强，黄存友. 激光技术的应用研究进展[J].装备制造技术，2013年，第一期：87—88.
[4] 雷鸣，李琦云，金淑芬. 准分子激光角膜切削术矫正PK术后近视22例[J]. 国际眼科杂志，2005,5（2）：371-372.
[5] 孟献丰，陆春华，倪亚茹，张其士. 激光技术的应用与防护[J]. 红外与激光工程， 2005年4月，第4卷第2期：141
