激光有哪些用途

激光是20世紀以來繼核能、電腦、半導體之後，人類的又一重大發明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。原子受激輻射的光，故名“激光”：原子中的電子吸收能量後從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級的時候，所釋放的能量以光子的形式放出。被引誘（激發）出來的光子束（激光），其中的光子光學特性高度一致。這使得激光比起普通光源，激光的單色性好，亮度高，方向性好。

激光應用很廣泛，有激光打標、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光測距、激光雷達、激光武器、激光唱片、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器、LIF無損檢測技術等等。

激光原理

光與物質的相互作用，實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻射光子，同時改變自身運動狀況的表現。

微觀粒子都具有特定的一套能級（通常這些能級是分立的）。任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態（或者簡單地表述為處在某一個能級上）。與光子相互作用時，粒子從一個能級躍遷到另一個能級，並相應地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E，頻率為ν=△E/h（h為普朗克常量）。

1.受激吸收（簡稱吸收）

處於較低能級的粒子在受到外界的激發（即與其他的粒子發生了有能量交換的相互作用，如與光子發生非彈性碰撞），吸收了能量時，躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。

2.自發輻射

粒子受到激發而進入的激發態，不是粒子的穩定狀態，如存在着可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發地從高能級激發態（E2）向低能級基態（E1）躍遷，同時輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 ν=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發輻射。眾多原子以自發輻射發出的光，不具有相位、偏振態、傳播方向上的一致，是物理上所説的非相干光。

3.受激輻射、激光

1917年愛因斯坦從理論上指出：除自發輻射外，處於高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當頻率為 ν=（E2-E1）/h的光子入射時，也會引發粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。

可以設想，如果大量原子處在高能級E2上，當有一個頻率 ν=（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵E2上的原子產生受激輻射，得到兩個特徵完全相同的光子，這兩個光子再激勵E2能級上原子，又使其產生受激輻射，可得到四個特徵相同的光子，這意味着原來的光信號被放大了。這種在受激輻射過程中產生並被放大的光就是激光。

愛因斯坦1917提出受激輻射，激光器卻在1960年問世，相隔43年，為什麼？主要原因是，普通光源中粒子產生受激輻射的概率極小。當頻率一定的光射入工作物質時，受激輻射和受激吸收兩過程同時存在，受激輻射使光子數增加，受激吸收卻使光子數減小。物質處於熱平衡態時，粒子在各能級上的分佈，遵循平衡態下粒子的統計分佈律。按統計分佈規律，處在較低能級E1的粒子數必大於處在較高能級E2的粒子數。這樣光穿過工作物質時，光的能量只會減弱不會加強。要想使受激輻射佔優勢，必須使處在高能級E2的粒子數大於處在低能級E1的粒子數。這種分佈正好與平衡態時的粒子分佈相反，稱為粒子數反轉分佈，簡稱粒子數反轉。如何從技術上實現粒子數反轉是產生激光的必要條件。

理論研究表明，任何工作物質，在適當的激勵條件下，可在粒子體系的特定高低能級間實現粒子數反轉。若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1，E2和E1能級上的布居數密度為N2和N1，在兩能級間存在着自發發射躍遷、受激發射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發射躍遷所產生的受激發射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發下產生的受激發射光是相干的。受激發射躍遷機率和受激吸收躍遷機率均正比於入射輻射場的單色能量密度。當兩個能級的統計權重相等時，兩種過程的機率相等。在熱平衡情況下N2<N1，所以自發吸收躍遷佔優勢，光通過物質時通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵可以破壞熱平衡而使N2>N1，這種狀態稱為粒子數反轉狀態。在這種情況下，受激發射躍遷佔優勢。光通過一段長為l的處於粒子數反轉狀態的激光工作物質（激活物質）後，光強增大eGl倍。G為正比於（N2-N1）的係數，稱為增益係數，其大小還與激光工作物質的性質和光波頻率有關。一段激活物質就是一個激光放大器。如果，把一段激活物質放在兩個互相平行的反射鏡（其中至少有一個是部分透射的）構成的光學諧振腔中（圖1），處於高能級的粒子會產生各種方向的自發發射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內往返傳播，當它在激光物質中傳播時，光強不斷增長。如果諧振腔內單程小信號增益G0l大於單程損耗δ（G0l是小信號增益係數），則可產生自激振盪。原子的運動狀態可以分為不同的能級，當原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的光子（所謂自發輻射）。