物理学科导论

物理学科导论

学院： 理学院
年级： 大一
班级： 数理五班
姓名： 冯茜茂
论文题目：激光的应用与发展

一、 激光简介
二、 激光的应用
三、 激光器
四、 激光的研究进展

一、激光的简介
1.激光的概念
激光英文全名为LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)。于1960年面世。激光是利用光能、热能、电能、化学能、核能等外部能量来激励物质，使其发生受激辐射而产生的一 科学家在电管中以光或的能量来撞击某些晶体或种特殊的光。

原子易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出

多余的能量；而接著，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生光子，引发一连串的“连锁反应”，并且都朝同一个方前进，形成强烈而且集中朝向某个方向的光；因此强的激光甚至可用作切割钢板。

2.激光的原理：
光与的相互作用，实质上是组成物质的吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。

都具有特定的一套（通常这些能级是分立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态（或者简单地表述为处 粒子从一个能级跃迁到另一在某一个能级上）。与光子相互作用时，
个能级，并相应地吸收或辐射。
光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h（h为）。

（简称吸收）
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 如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，有能量交换的相互作用，
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。

粒子受到激发而进入的，不是粒子的稳定状态，如存在着 粒子也有一定的概率，可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，
自发地从高能级激发态（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ν=（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。

、
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ν=（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。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。

3.激光的特性
激光被广泛应用是因为它的特性。激光几乎是一种单色光波，极窄，又可在一个狭小的方向内集中高能量，因此利用聚焦后 激光拥有上述特性，并不是因为的激光束可以对各种材料进行打孔。

它有与别不同的光能，而是它的功率密度十分高，这就是激光被广泛应用的原因激光具有具有亮度高、方向性强、单色性好、平行光束等特点。

（一）亮度高，主要表现在它的亮度高是普通光源高几亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。所以激光发射能力强和能量高度集中，可在焦点处产生几千到几万度的高温
（二）方向性强，激光发射后发散角非常小，射出20公里，光 斑直径只有20-30cm，射到28万公里月球上，直径还不到2公

里。

（三）单色性好，激光波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，这个特性就被用于通信技术上，特别是军事通信技术。

(四)相干性好，激光不同于普通光，它是受激辐射光，具有很强的相干性。

二、激光的应用
医学、军事、工业、通信（主要介绍医学和军事方面主要应用领域：
的应用）
1.激光在医学的应用
激光在医学上的应用主要分三类：
激光生命科学研究、激光诊断、 激光手术治疗、弱激光生物刺激作激光治疗，其中激光治疗又分为：
用的非手术治疗和激光的治疗。

（1）激光在美容界的用途越来越广泛。，如、、、、等，以及去、洗眼线、、治疗瘢痕等；而2013年以前一些新型的激光仪，高能超脉冲CO2激光，铒激光进行、换肤、治疗打鼾，美白牙齿等等，取得了良好的疗效，为开辟越来越广阔的领域。

（2）激光手术有传统手术无法比拟的优越性。激光手术不需要住院治疗，手术切口小，术中不出血，创伤轻，无瘢痕等。

激光去除面部黑痣
激光去的原理：将激光在瞬间爆发出的巨大能量置于

中，把色素打碎并分解，使其可以被巨噬细胞吞并掉，而后会随着淋巴循环系统排出体外，由此达到将色素去去掉的目的。

激光治疗近视
激光除皱
原理：皱纹产生的主要原因是皮肤胶原减少，真皮层变薄。运用最新激光-射频联合技术照射皮肤，可使真皮层增厚、减少皱纹，其

而出现褶皱的皮肤；加热真皮组织层，利用人体自身修复机能刺激组织再生重建，使真皮层增厚。

2、激光技术在军事上的应用
激光在军事上的应用十分广泛，主要发展了以下几项激光技术： ①激光测距技术。它是在军事上最先得到实际应用的激光技术。

②技术。激光制导武器精度高、结构比较简单、不易受电磁干扰，在中占有重要地位。激光制导是用来控制飞行器的的飞行方向，或引导兵器击中目标，它具有结构简单、作战实效成本低、抗干扰性能好、命中精度高的优点。激光制导武器现有激光制导炸弹、激光制导导弹和激光制导炮弹等种类。

（激光制导的基本原理是：用激光器发射光束照射目标，装于弹体上的激光接收装置则是照射的激光信号或目标发射的激光信号，算出弹体偏离照射或反射激光束程度，不断调整飞行轨迹，使战斗部沿着照射或发射激光前进，最终击中目标。）
③激光。激光通信是以激光为运载工具传递信息的一

种通信方式。激光通信容量大、保密性好、抗电磁干扰能力强。已成为通信系统的发展重点。机载、星载的激光通信系统和对的激光通信系统也在研究发展中。

④强激光技术。用高功率激光器制成的，可使人眼致盲和使光电探测器失效。利用高能激光束可能摧毁飞机、导弹、等军事目标。用于致盲、防空等的战术激光武器，已进入实用阶段。用于反卫星、反的战略激光武器，尚处于探索阶段。

（1）激光武器特点
激光作为武器，有很多独特的优点。首先，它可以用光速飞行，每秒30万公里，任何武器都没有这样高的速度。另外，它可以在极 在极短的时间里集中超过100万倍的能量，还能小的面积上、
很灵活地改变方向，没有任何放射性污染。

激光武器分为三类：一是致盲型。前面我们讲过的机载致盲武器，就属于这一类。二是近距离战术型，可用来击落导弹和飞机。1978年美国进行的用激光打陶式反坦克导弹的试验，就是用的这类武器。三是远距离战略型。
这类的研制困难最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反卫星、反，成为最先进的防御武器。

（2）激光武器的缺点
由于现在激光的技术并不成熟，无法轻易制造出大功率的激光器，而且激光耗能极大，需要复杂庞大的供电机构，使得激光武器不能大量投入使用。

三．激光器
要获得激光，就要有能产生激光的装置，这种装置就是。

1.原理：
除外，各种激光器的基本工作原理均相同。

产生激光的必不可少的条件是和增益大于损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有腔，但谐振腔（见）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。

2.激光工作物质
是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质

的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现

可能有效地保持下去。

现已发现的有几千种，波长范围从软X射线到远红外。激光器的种类很多，按工作物质、激励方式、运转方式、工作

波长等不同方法分类。

五、激光的研究进展

操作激光

美国得克萨斯州大学的科学家研制出世界上功率最强大的可操作激光，这种激光每万亿分之一秒产生的能量是美国所有发电厂发电量的2000倍，输出功率超过1拍瓦－相当于10的15次方瓦。这种激光第一次启动是在1996年。马丁尼兹说，希望他的项目能够在2008年打破这一纪录，也就是说，让激光的功率达到1.3拍瓦到1.5拍瓦之间。

激光“抓住”并使之移动
美国伊利诺伊州纽约大学的科学家和一家光学公司的科研人员试验了一种名为“光学捕获”的技术，试图更便利地操纵碳纳米管。光学捕获技术就是利用激光能捕获微小粒子的能力，在移动激光束时使微小粒子跟随激光移动。由于激光能捕获微小粒子，因此在它移动时就会像镊子一样，“夹”着微小粒子移动。科学家把这种现象称为“激光镊子”。2013年时生物学家已能用激光镊子夹住单个细胞。例如，从血液中分离出单个血红细胞用于研究镰刀状血红细胞贫血症或疟疾治疗研究。激光镊子能“夹”住微小粒子，是因为激光束中心强度大于边缘强度，因此当激光束照射一个微小粒子时，从中心折射的光线要比向前的光线多。

激光镊子移动的血细胞直径有几微米，但2013年以前要移动直径仅2～20然而，
纳米的碳纳米管会麻烦得多。因此想利用单个激光镊子移动大量碳纳米管到一定位置，可能会与用原子力显微镜一样费事。

为此，科学家用一种液晶激光分离器把激光束分成200个可单独控制的小激光束，研究人员可以控制这些激光束使之形成三角形、四边形、五边形和六边形等形状，从而移动大量的纳米管群，使它们在显微镜载片表面定位，达到移动碳纳米管的目的。