物理学与人类文明

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1、物理学与人类文明结课论文任课老师：戴长建学院：自动化学院报告人：朱光旭学号：20110602激光的原理及应用摘要：当前激光技术发展的越来越迅速和成熟，在我们生活中的各个行业应用的非常广泛。由于激光技术的先进性，精确性，所以在当前，在很多行业都得以应用和实现。本文通过对激光技术的学习，大概阐述了激光产生原理，以及激光在各个方面的应用。一、激光简介：激光是在1960年正式问世的。但是，激光的历史却已有100多年。确切地说，远在1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为

2、未来发明激光发现了一个极为重要的现象。1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“LightAmplificationbyStimuIatadEmissionofRadiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。二、激光产生原理：2.1激光产生的物质基础光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。爱因斯坦认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受

3、激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。为了简化问题，我们只考虑原子的两个能级和，处于两个能级的原子数密度分别为和，如图2-1所示。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为，并有。图2-1二能级原子能级图Ⅰ）、自发辐射处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发跃迁过程，如图2-2所示。自发辐射光图2-2原子自发辐射（Ⅱ）、受激辐射处于高能级的原子在满足的辐射场作用下，跃迁至低能级并辐射出一个能量为且与入射光子全同光子，如图2-3所示。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。入射光入射光图2-3原子受激辐射（Ⅲ）、受激吸收受激辐射的反过程就是受激吸收。处

4、于低能级的一个原子，在频率为的辐射场作用下吸收一个能量为的光子，并跃迁至高能级，这种过程称为受激吸收，如图2-4所示。入射光原子吸收入射光子并跃迁至高能级图2-4原子受激吸收受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。自发辐射是不相干的；受激辐射是相干的2.2激光产生的基本原理和方法2.2.1光学谐振腔及其选模和反馈作用由受激辐射和自发辐射相干性可知，相干辐射的光子简并度很大。普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。如果能够创造这样一种情况：使得腔内某一特定模式的很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某

5、一特定模式内，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各种技术措施减少腔内光场模式数、使介质的受激辐射恒大于受激吸收等来提高光子简并度，从而达到产生激光的目的。光腔的反馈作用——光放大器在许多大功率装置中广泛地用来把弱的激光束逐级放大，但在光放大的同时通常还存在着光的损耗，根据研究光强达到稳定的极限值只与放大器本身的参数有关，而与初始光强无关。特别是，不管初始光强多么弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强稳定极限值，而实际上，既不需要给激活物质输入一个弱光信号，也不需要真正把激活物质的长度无限增加，而只要在具有一定长度的光放大器两端放置前述的光学谐振腔。这样，沿轴向

6、传播的光波模在两反射镜间往返传播，就等于增加放大器长度。这种作用称为光学谐振腔的反馈作用。2.2.2光的受激辐射放大条件实现光放大的两个条件：①激励能源——把介质中的粒子不断地由低能级抽运到高能级去；②增益介质——能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态。2.2.3产生激光的基本条件及激光器的组成部分产生激光的基本条件是：①能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态的增益介质；②要使受激发射光强超过受激吸收，必须实现粒子数反转（方法是利用外界激励能源把大量粒子激励到高能级。）；③要使受激发射光强超过自发发射，必须提高光子简并度（方法：利用光学谐振腔造成强辐射

7、场，以提高腔内光场的相干性。）。激光器的组成部分及其作用：一个激光器应包含泵浦源、光放大器和光学谐振腔三部分。其作用分别是使激光物质成为激活物质、对弱光信号进行放大、模式选择和提供轴向光波模的反馈。一、激光技术的应用：激光自其诞生之日来，已对人类生活产生了巨大影响。其应用已渗入到人类生活的每个方面。比如监测,检测,制造业,医学,航天等等。由于激光应用的广泛性，这里我只能从广面上稍微介绍下其应用。3.1激光技术在监测方面的一些应用3.1.1三维激光扫描技术在地形测绘的应用三维激光扫描仪用于边坡三维形状的获