以下百科全書提供:
-
激光發電
如果原子或分子等微觀粒子有壹個高能級E2和壹個低能級E1，E2和E1的粒子數密度為N2和N1，則有三個過程:自發發射躍遷、受激發射躍遷和受激吸收躍遷。受激發射躍遷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。所以同壹相幹輻射場激發的大量粒子的受激發射是相幹的。受激發射躍遷和受激發射吸收躍遷的幾率都與入射輻射場的單色能量密度成正比。當兩個能級的統計權重相等時，兩個過程的概率相等。在熱平衡的情況下，N2 < N1，所以受激吸收躍遷占優勢，光通過物質時通常會由於受激吸收而衰減。外界能量的激發可以破壞熱平衡，使N2 > N1，稱為粒子數反轉態。在這種情況下，受激發射躍遷占主導地位。光通過長度為L的激光工作物質(活性物質)後，光強增加eGl倍。g是與(N2-N1)成正比的系數，稱為增益系數，其大小也與激光工質的性質和光波頻率有關。壹種活性物質是激光放大器。
如果將壹種被激活的物質放在由兩個平行反射鏡(至少有壹個是部分透射的)組成的光學諧振腔中(圖1)，高能級的粒子會自發向各個方向發射。其中，非軸向光波快速逸出諧振腔；軸向光波可以在腔內來回傳播，並且當它在激光材料中傳播時，強度增加。如果諧振腔內的單向小信號增益G0l大於單向損耗δ(G0l為小信號增益系數)，則可產生自激振蕩。原子的運動狀態可以分為不同的能級。當原子從高能級躍遷到低能級時，會釋放出相應能量的光子(所謂自發輻射)。同樣，當壹個光子入射到壹個能級系統上並被其吸收時，會導致原子從低能級躍遷到高能級(所謂受激吸收)；然後，壹些跳到高能級的原子會跳到低能級，釋放光子(所謂的受激輻射)。這些運動不是孤立的，而是經常同時進行的。當我們創造壹個條件，比如使用合適的介質，* * *腔和足夠的外電場，受激輻射會被放大到大於受激吸收，那麽壹般情況下，光子會被發射出來，從而產生激光。
激光的特性
(1)定向發光
普通光源向各個方向發光。為了使發出的光向壹個方向傳播，需要在光源上安裝壹定的聚光裝置。比如汽車的大燈、探照燈等都裝有具有聚光功能的反光器，使輻射出來的光線能夠被收集並向壹個方向發射。激光器發出的激光自然是壹個方向發射的，光束的發散度極小，只有0.001弧度左右，接近平行。1962年，人類第壹次用激光照射月球。地球和月球之間的距離約為38萬公裏，但月球表面的激光光斑不到兩公裏。聚光效果好的話，看似平行的探照燈光束會對準月球，按照其光斑直徑覆蓋整個月球。
(2)非常高的亮度
在激光發明之前，人工光源中高壓脈沖氙燈亮度最高，與太陽亮度相當，而紅寶石激光器的激光亮度可超過氙燈的數百億倍。因為激光的亮度極高，可以照亮遠處的物體。紅寶石激光束在月球上產生的照度約為0.02勒克斯(照度單位)，顏色為鮮紅色，激光光斑明顯可見。如果用最強的探照燈照射月球，產生的照度只有萬億分之壹勒克斯左右，人眼根本無法察覺。激光亮度高的主要原因是定向發光。在極小的空間內發射大量光子，能量密度自然極高。
(3)顏色極其純凈
光的顏色是由光的波長(或頻率)決定的。某個波長對應某個顏色。太陽光的波長分布範圍大約是0.76微米到0.4微米，對應的顏色從紅色到紫色***7種顏色，所以太陽光不是單色的。發出單壹顏色光的光源稱為單色光源，它發出的光波具有單壹波長。比如氪燈、氦氣燈、氖燈、氫氣燈等。都是單色光源，只發出某種顏色的光。單色光源雖然波長單壹，但還是有壹定的分布範圍。比如氪燈只發出紅光，號稱單色性最高，波長分布範圍還是0.0001 nm，所以氪燈發出的紅光如果仔細鑒別還是含有幾十種紅色。可以看出，光輻射的波長分布範圍越窄，單色性越好。
激光器輸出的光波長分布範圍很窄，所以顏色極其純凈。以輸出紅光的He-Ne激光器為例，其波長分布範圍可窄至2×10-9 nm，是氪燈發出紅光波長分布範圍的萬分之二。可見激光的單色性遠遠超過任何單色光源。
此外，激光還有其他特點:相幹性好。激光的頻率、振動方向和相位高度壹致，這樣當激光光波在空間重疊時，重疊區域的光強分布就會出現強弱交替的穩定現象。這種現象叫做光的幹涉，所以激光是相幹光。普通光源發出的光，因為頻率、振動方向、相位不壹致，所以稱為非相幹光。
閃光時間可以非常短。由於技術原因，普通光源的閃光時間不可能很短，攝影用閃光燈的閃光時間在千分之壹秒左右。脈沖激光的閃光時間很短，達到6飛秒(1飛秒=10-15秒)。閃光時間極短的光源在生產、科研和軍事上有著重要的用途。
受激光輻射
什麽是“受激輻射”？它是基於大科學家愛因斯坦在1916年提出的壹個全新的理論。這個理論意味著在組成物質的原子中，有不同數量的粒子(電子)分布在不同的能級上。當高能級的粒子被壹個光子激發後，會從高能級躍遷(jump)到低能級。這時，它們會放射出與激發它們的光具有相同性質的光，並且在某種狀態下，微弱的光也能激發出強光。這被稱為“受激輻射的光學放大”，簡稱激光。激光有四個主要特點:高亮度、高方向性、高單色性和高相幹性。
目前，激光已廣泛應用於激光焊接、激光切割、激光打孔(包括斜孔、不規則孔、石膏孔、水松紙孔、鋼板孔、包裝印刷孔等)。)、激光淬火、激光熱處理、激光打標、玻璃雕刻、激光微調、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光電路修復、激光布線技術、激光清洗等。
經過30多年的發展，現在激光幾乎無處不在。已經應用於生活和科研的方方面面:激光針灸、激光切割、激光焊接、激光淬火、CD、激光測距儀、激光陀螺儀、激光矯直機、激光手術刀、激光炸彈、激光雷達、激光槍、激光炮等。在不久的將來，激光肯定會有更廣泛的應用。
激光武器是壹種定向能武器，利用定向激光束直接破壞或癱瘓目標。根據作戰目的不同，激光武器可分為戰術激光武器和戰略激光武器。武器系統主要由激光器、跟蹤、瞄準和發射裝置組成。目前常用的激光器有化學激光器、固體激光器和CO2激光器。激光武器具有攻擊速度快、轉向靈活、打擊準確、無電磁幹擾等優點，但也有易受天氣和環境影響的缺點。激光武器已有30多年的歷史，其關鍵技術也取得了突破。美國、俄羅斯、法國、以色列等國家已經成功地進行了各種激光射擊實驗。目前低能量激光武器已經投入使用，主要用於近距離幹擾和致盲光電傳感器，以及攻擊人眼和壹些增強型觀測設備；高能激光武器主要使用化學激光。按照目前的水平，預計在未來5-10年內在地面和空中平臺上部署使用，用於戰術防空、戰區反導和反衛星作戰。
激光的其他特性
激光有很多特點:第壹，激光是單色的，或者說是單頻的。有些激光器可以同時產生不同頻率的激光，但這些激光是相互隔離，分開使用的。其次，激光是相幹光。相幹光的特點是它的所有光波都是同步的，整束光就像壹個“波列”。第三，激光是高度集中的，也就是說，它需要很長的距離來分散或會聚。
激光是20世紀60年代發明的壹種光源。激光是英文“受激發射光放大”的縮寫。激光有很多種，大小從幾個足球場到壹粒米或鹽。氣體激光器包括氦氖激光器和氬激光器；固態激光器包括紅寶石激光器；半導體激光器有激光二極管，如CD播放機、DVD播放機和CD-r om中的激光二極管。每種激光器都有自己獨特的產生激光的方法。
激光技術的應用
激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性，以切割、焊接、表面處理、打孔、微加工材料、識別物體為光源的技術。最傳統的應用領域是激光加工技術。激光技術是壹門涉及光、機、電、材料、檢測等多學科的綜合性技術。傳統上，其研究範圍壹般可分為:
激光加工系統。包括激光器、光導系統、加工機床、控制系統和檢測系統。
2.激光加工技術。包括切割、焊接、表面處理、鉆孔、劃線、標記、微調等加工技術。
激光焊接:汽車車身厚板、汽車零部件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件，以及各種不允許焊接汙染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。
激光切割:汽車行業、電腦、電氣櫃、木工刀具模具行業各種金屬零件及特殊材料的切割，圓鋸片、亞克力、彈簧墊圈、2mm以下電子零件的銅板、部分金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍鉛鋼板、磷青銅、膠木板、薄鋁合金、應時玻璃、矽橡膠、氧化鋁陶瓷板1mm以下。使用的激光器是YAG激光器和CO2激光器。
激光打標:廣泛應用於各種材料和幾乎所有行業。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。
激光打孔:激光打孔主要應用於航空航天、汽車制造、電子儀器、化工等行業。激光打孔的快速發展主要體現在打孔用YAG激光器的平均輸出功率從五年前的400w提高到800w，達到1000w，目前國內激光打孔比較成熟的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產和鐘表儀器的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷電路板等行業的生產。目前使用的激光器大部分是YAG激光器和CO2激光器，但也有壹些準分子激光器、同位素激光器和半導體泵浦激光器。
激光熱處理:廣泛應用於汽車行業，如氣缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零件的熱處理，以及航空航天、機床工業等機械行業。激光熱處理在我國的應用遠比國外廣泛。目前使用的激光器多為YAG激光器和CO2激光器。
激光快速成型:是將激光加工技術與計算機數控技術、柔性制造技術相結合而形成的。多用於模具和模型行業。目前使用的激光器多為YAG激光器和CO2激光器。
激光鍍膜:廣泛應用於航空航天、模具、機電行業。目前使用的激光器多為大功率YAG激光器和CO2激光器。
美國德克薩斯大學的科學家開發出了世界上最強大的操作激光器。這臺激光器每萬億分之壹秒產生的能量是美國所有發電廠的2000倍，輸出功率超過1皮瓦——相當於10的15瓦。這臺激光最早是1996開始的。馬丁內斯表示，他希望自己的項目能在2008年打破這壹紀錄，即讓激光功率達到1.3皮瓦到1.5皮瓦之間。超級激光項目的負責人McAll Martinez說:“我們可以讓材料進入壹種極端狀態，這種狀態在地球上是看不見的。我們打算在德州觀測的現象相當於進入太空觀測壹顆爆炸的恒星。”
激光在醫學中的應用
應用於牙科的激光系統
根據激光在牙科應用中的不同功能，可以分為幾種不同的激光系統。區分激光的壹個重要特征是:光的波長對組織的作用不同。可見光和近紅外光譜的光吸收率低，穿透性強，能穿透牙齒組織的深部，如氬離子激光、二極管激光或Nd: YAG激光(如圖1)。而Er: YAG激光和CO激光的光穿透性較差，只能穿透牙齒組織約0.01mm。區別激光的第二個重要特征是激光的強度(即功率)，比如診斷用的二極管激光，只有幾毫瓦，有時也可以用於激光顯示。
用於治療的激光通常是幾瓦的中等強度激光。激光對組織的作用還取決於激光脈沖發射的方式。典型的連續脈沖發射方法是氬離子激光、二極管激光、CO2激光和激光。有Er: YAG激光器或許多Nd: YAG激光器以短脈沖方式發射。短脈沖激光的強度(即功率)可以達到1，000瓦以上。這些高強度、高光吸收的激光只適合去除硬組織。
激光在齲齒診斷中的應用
1.脫礦和淺齲
2.隱性齲齒
激光在治療中的應用
1.切割
2.填料聚合和凹坑處理
激光美容手術
(1)激光在美容行業的應用越來越廣泛。激光通過產生能量高、聚焦準確、具有壹定穿透力的單色光，作用於人體組織局部產生高熱，從而切除或破壞目標組織。不同波長的脈沖激光可以治療各種血管性皮膚病和色素沈著，如太田痣、鮮紅斑痣、雀斑、老年斑、毛細血管擴張、去紋身、洗眼線、洗眉、疤痕治療等。近年來，壹些新型激光儀器，如高能超脈沖CO2激光、鉺激光等，在除皺、脫皮換膚、打鼾治療、牙齒美白等方面取得了良好的效果，為激光外科開辟了越來越廣闊的領域。
(2)激光手術具有傳統手術無法比擬的優勢。首先，激光手術不需要住院，切口小，術中不出血，創傷輕，不留疤痕。比如傳統的手術方法治療眼袋，存在剝離範圍廣、術中出血多、術後愈合慢、易結疤等缺點。而應用高能超脈沖CO2激光治療眼袋，具有術中不出血、無需縫合、不影響正常工作、手術部位水腫輕、恢復快、不留疤痕等優點，是傳統手術無法比擬的。壹些因出血過多而無法進行的內鏡手術，可以用激光切割代替完成。(註:有壹定的適應範圍)
(3)激光在治療血管性皮膚病和色素沈著方面取得了顯著的效果。用脈沖染料激光治療鮮紅斑痣療效顯著，對周圍組織損傷小，幾乎不留疤痕。它的出現成為鮮紅斑痣治療史上的壹次革命，因為鮮紅斑痣治療史上，放射、冷凍、電灼、手術等方法疤痕發生率高，常出現色素脫失或沈積。血管性皮膚病的激光治療是含氧血紅蛋白對壹定波長激光的選擇性吸收，導致血管組織的高度破壞。具有較高的準確性和安全性，不會影響周圍的鄰近組織。所以激光治療毛細血管擴張也是有效的。
此外，由於可變脈沖激光的出現，去除不理想的紋身以及治療太田痣、老年斑等各種色素性皮膚病取得了重大突破。根據選擇性光熱效應理論(即不同波長的激光可選擇性作用於不同顏色的皮損)，這種激光利用其強大的瞬時功率、高度集中的輻射能和色素選擇性、極短的脈寬，將激光能量集中於色素顆粒上，直接汽化、粉碎，通過淋巴組織排出體外，不影響周圍正常組織，因其療效確切、安全可靠、不留疤痕、痛苦小而深入人心。
(4)激光外科開創了醫療美容的新時代。高能超脈沖CO2激光脫皮換膚開辟了美容外科的新技術。它采用高能、超短脈沖激光，瞬間汽化老化受損的皮膚組織，不傷害周圍組織，治療過程中幾乎不出血，並能精確控制作用深度。其效果得到了國際醫學整形美容界的充分肯定，被譽為“開創醫學美容新時代”；此外，還有高能超脈沖CO2激光儀，治療眼袋、打鼾，甚至激光美白牙齒。以其安全準確的療效，簡單快捷的治療，在醫美領域創造了壹個又壹個奇跡。激光美容讓醫學美容向前邁進了壹大步，賦予了醫學美容更新的內涵。
激光冷卻
激光冷卻是利用激光與原子之間的相互作用來減緩原子的運動，從而獲得超低溫原子。早期這項重要技術的主要目的是精確測量各種原子參數，用於高分辨率激光光譜和超高精度量子頻標(原子鐘)，但後來成為實現原子玻色-愛因斯坦凝聚的關鍵實驗方法。雖然早在20世紀初人們就註意到光對原子有輻射壓力，但直到激光發明後，才發展出利用光壓改變原子速度的技術。發現當原子在壹對頻率略低於原子躍遷能級差、傳播方向相反的激光束中運動時，由於多普勒效應，原子傾向於吸收與原子方向相反的光子，但吸收同方向傳播的光子的概率較小；被吸收的光子將自發地各向同性輻射。平均來說，兩束激光的凈效應是產生壹個與原子運動方向相反的阻尼力，從而減緩原子的運動(即降溫)。1985年，美國國家標準與技術研究所的菲利普斯和斯坦福大學的朱棣文首先實現了激光冷卻原子的實驗，獲得了極低溫(24μK)的鈉氣體。他們進壹步利用壹束三維激光束形成磁光理論，將原子囚禁在空間的壹個小區域並冷卻，獲得了溫度更低的“光學粘膠”。從那以後，出現了許多新的激光冷卻方法。其中最著名的是“速度選擇相幹布居限制”和“拉曼冷卻”。前者是巴黎師範學院的克勞德·科恩-坦諾吉提出的，後者是朱·提出的。他們利用這項技術分別獲得了低於光子反沖極限的極低溫度。此後，人們發展了壹系列磁場和激光相結合的冷卻技術，包括偏振梯度冷卻、磁感應冷卻等。朱、科恩·達諾基和菲利普斯也獲得了1997諾貝爾物理學獎。激光冷卻有很多應用，如原子光學、原子刻蝕、原子鐘、光學晶格、光鑷、玻色-愛因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光譜、光與物質相互作用的基礎研究等。
激光光譜
激光光譜是壹種以激光為光源的光譜技術。與普通光源相比，激光光源具有單色性好、亮度高、方向性強、相幹性強等特點，是研究光與物質相互作用的理想光源，從而識別物質及其系統的結構、成分、狀態和變化。激光的出現大大提高了原有光譜技術的靈敏度和分辨率。由於獲得了極高強度和極窄脈寬的激光，使得觀察分子受激發後的多光子過程、非線性光化學過程和弛豫過程成為可能，並分別發展成為新的光譜技術。激光光譜學已經成為與物理、化學、生物和材料科學密切相關的研究領域。
激光傳感器
激光傳感器是壹種利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光探測器和測量電路組成。激光傳感器是壹種新型的測量儀器，具有非接觸式遠距離測量、速度快、精度高、測量範圍大、抗光電幹擾能力強等優點。
激光雷達
激光雷達是指利用激光作為輻射源的雷達。激光雷達是激光技術和雷達技術的結合。它由發射機、天線、接收機、跟蹤架和信息處理組成。發射器是各種類型的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器和波長可調的固態激光器。天線是光學望遠鏡；接收器采用各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多探測器器件等。激光雷達工作在兩種模式下:脈沖或連續波。檢測方法分為直接檢測和外差檢測。
激光束武器
激光武器是壹種定向能武器，利用定向激光束直接破壞或癱瘓目標。根據作戰目的不同，激光武器可分為戰術激光武器和戰略激光武器。武器系統主要由激光器、跟蹤、瞄準和發射裝置組成。目前常用的激光器有化學激光器、固體激光器和CO2激光器。激光武器具有攻擊速度快、轉向靈活、打擊準確、無電磁幹擾等優點，但也有易受天氣和環境影響的缺點。激光武器已有30多年的歷史，其關鍵技術也取得了突破。美國、俄羅斯、法國、以色列等國家已經成功地進行了各種激光射擊實驗。目前低能量激光武器已經投入使用，主要用於近距離幹擾和致盲光電傳感器，以及攻擊人眼和壹些增強型觀測設備；高能激光武器主要使用化學激光。按照目前的水平，預計在未來5-10年內在地面和空中平臺上部署使用，用於戰術防空、戰區反導和反衛星作戰。