激光的原理及应用
The principle and application of laser
孙伟
（信息管理与信息系统3班 2015013055）
摘要：
激光是自20世纪以来，继原子能，计算机，半导体之后又一极具价值的重大发明，同时它也被称为“最快的刀”“最准的尺”，是由伟大的物理学家爱因斯坦于1917年提出的全新的技术理论“光与物质相互作用”首次指出激光现象，并称其为“受激辐射的光放大”，简称激光。目前，激光已经在医学，军事，通信，工业等领域有了极大的应用和发展。
关键词：激光发展历史
激光原理
激光应用
一 激光的发现及历史
激光的理论基础起源于大学物理学家爱因斯坦，在1917年他首次提出了一套全新的技术理论，在这个理论中，爱因斯坦指出，在原子钟，有不同数量的电子分布在不同的能级上，当在高能级上的电子跃迁到低能级上时，会辐射出以激发它的光相同性质的光，而在某种状态下，会出现一种弱光激发出一种强光的现象，而这个现象就叫做“受辐射放大的光”，简称激光。
1951年，美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯提出设想，如果用分子而不用电子线路，就可以得到波长足够小的无线电波。1953年12月，汤斯与他的学生阿瑟·肖洛终于制成了以上述原理工作的一个装置，并成功的产生的所需要的微波束，而这个过程被称为“受激辐射的微波放大”。同时也按其英文的首字母造出了单词“maser”（脉泽）。
1958年，美国科学家肖洛（Schawlow）和汤斯（Townes）发现了一个神奇的现象，当将氖光灯泡的所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的强光，以此他们提出了“激光原理”，既物质在受到与其分子固有频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光，也就是激光，为此普罗霍罗夫和汤斯分别发表文章，指出光学中使用的法布里-珀罗标准具可用作从亚毫米波直到可见光波段的谐振腔。与微波谐振腔相比，这是一种开放式的腔。两块具有高反射率的半透镜对面放置，其间隔远大于波长。但入射电磁波从垂直于镜面的方向射入腔中后，在两镜面间来回反射，形成驻波，起着谐振腔的作用。在他们的理论指导下，两年后就发明了激光器。同时也以此获得了1964年的诺贝尔物理学奖。
1960年，人类获得了有史以来的第一束激光，美国加利福尼亚休斯实验室的科学家梅曼宣布获了波长为0.6943微米的激光，梅曼同时也是世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。同年7月，梅曼宣布世界上第一台激光器诞生了。其是以普通光射进一根特别的人工合成的红宝石棒，创造出了激光光束。梅曼当时的成功震惊了全世界。
至此，激光开始以极快的速度进入到各方各面的应用当中。 二 激光的原理及特性
微观粒子均具有特定的一套能级，而任一时刻粒子只能与处在这一能级相对应的能级上，当其与光子相互作用时，粒子会从一个能级跃迁到另一能级上，并相应的吸收或辐射一定的光子，这放出的光子则为激光，而光子的能量通常为两级的能量之差。激光通常会具有以下的一些特性。
1.定向发光
在我们的生活中，光源通常都是向四面八方发光的，如果想要使其向一个特定的方向发光时，就需要给光源装上一定的聚光装置，例如我们的老式手电筒，汽车的车前灯和探照灯均是安装有聚光作用的反光镜，使得原本发散光源可以汇聚起来想一个特定的方向发光。而激光器发射的激光天生就是朝一个方向发出光线，光束的发散度极小，接近平行，因此特性，其在天文，建造方面有广泛的运用。
2.亮度极高
曾经，在激光还未被发现时，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，其亮度与太阳的亮度不行上下，而人类所发明的红宝石激光器的激光亮度能够超过氙灯亮度的几百亿倍。
激光的颜色主要取决于激光波长的，而激光的波长又取决于激光的活性物质，既被刺激后可以产生激光束的物质，例如，刺激红宝石便可以产生深玫瑰色的激光束，它在医学领域有着极广的应用，例如用于皮肤病的治疗和外科手术的。
3.颜色极纯
光的颜色由它的波长决定，一定的波长决定了一定的颜色，太阳的可见波长颜色从红色到紫色共7种，因此太阳光谈不上单色性。如氖灯只发射红光，単色性很好发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。
激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到μm级别，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。 4.能量极大
光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。
而对于电磁波它在真空中的传播速度约为每秒30万公里。电磁波包括的范围很广。实验证明，无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线、r射线都是电磁波。光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多;而X射线和γ射线的频率则更高，波长则更短。为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率、波数、能量的顺序把这些电磁波排列起来，这就出现了我们所说的电磁波谱。
在电磁波普中大概可以分为这几类，（1）无线电波——波长从几千米到0.3米左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；
（2）微波——波长从0.3米到10^-3米，这些波多用在雷达或其它通讯系统； （3）红外线——波长从10^-3米到7.8×10^-7米；
（4）可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从780—380nm。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分；
（5）紫外线——波长从3 ×10^-7米到6×10^-10米。这些波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强；（6）伦琴射线(X射线)—— 这部分电磁波谱， 波长从2×10^-9米到6×10^-12米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；
（7）伽马射线——是波长从10^-10～10^-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。由此看来，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因为它的作用范围很小，一般只有一个点），短时间里聚集起大量的能量，用做武器也就可以理解了。 三 激光应用
现如今，激光在我们生活工作的各个领域都有了广泛的应用，从实验室走出来的激光经历了几十年的发展和完善终于进入的实用领域，而科学往往就是如此，在不经意中的发现，可能自己都并不认为这种发现有任何的用途，但是在几十年后的今天激光成为了引领一个领域发展的决定性因素。
对比CO2激光器、碟片激光器和光纤激光器，可以得出这样的结论：直到5千瓦，以光纤激光的亮度最大，切割金属板最快最厚的当属光纤激光。但实际上切割厚板尚不如CO2激光，尽管碳钢对近红外的1.07掺镱光纤激光的吸收率数倍于中红外10.6的CO2激光，但10倍于光纤激光波长的CO2激光之切缝比光纤的宽得多（一般2mm），氧气易于吹入。 这就是CO2激光46年来一直独占固体激光之鳌头的缘由。第一，国产激光切割机的量产与自主开发力度的加大，外国一线公司在华本土化的生产，缩小了二者的产品差距与价格差距。用户对国产机的认同度不断提高，其在2010年国内市场的占比高达80%。
第二，2010年我国千瓦以上大功率CO2激光切割机销量达1000台，占全球市场的20%-25%。上海团结普瑞玛、大族激光、武汉法利莱、奔腾楚天等一线厂商都有大幅的增长。最多一家竟占了国内市场的30%。
市场兴旺得力于扩大内需，但主要是这种加工手段的魅力，特别在铁路钢铁、工程机械、汽车造船、航空航天和军工等高端市场的旺盛需求。
2014年市场难料，但可深信一点，2013年大起，2014年绝不会大落，作为制造大国的中国，保有量不会低于10000台。须知2000年前的10年我国的总量才280台。
第三，我国大功率激光切割装备的产业链远未形成，尚无自主知识产权的新型大功率激光器，无论激光器还是切割机的关键元部件都得依赖进口。价昂的电容切割头及作为耗材的光学镜片等的研发生产，迄今都无人问津。成不了国内配套，进军海外市场不过是梦想。唯有待到国产整机批量出口之日，才是我国这一产业的形成之时。
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。
