激光

激光，相信大家都不陌生，不少大城市里的激光表演，一束束细细的强光划破苍穹，冲向寰宇，很是震撼，让人大饱眼福，还有不少人喜欢买市面上激光笔到处照射，相比普通光的手电筒，可以说是酷毙了。激光的指向性强，光束发散角度小，可以在传播很远的距离之后仍有很高的强度，因此常被用于瞄准、测量探测，甚至用作“刀”和“钻”被用于切割、打孔、手术等。

激光发射后发散角非常小，激光射出20公里，光斑直径只有20——30厘米，激光射到38万公里的月球上，其光斑直径还不到2公里。

光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色，是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。由于这个特性，激光在通信技术中应用很广。

由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将中等强度的激光束经过会聚，可在焦点出产生几千到几万度的高温。

相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不同，导致它们的相干性也有高低之分。普通光是自发辐射光，不会产生干涉现象。激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具有极强的相干性，所以称为相干光。

激光之所以和普通光表现如此不同，是因为产生原理不一样

普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 

hυ=E2-E1 

这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。 

在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为 

N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT} 

式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2 E1，所以N2《N1。例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则 

N2/N1∝exp（－400）≈0 

可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。 

由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数n(n=1,2,…)决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln＝nh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。 

量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l（角动量量子数）量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射。 

受激辐射的概念世爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。 

受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。 

一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。

能够实现粒子数反转的介质称为激活介质。要造成粒子数反转分布，首先要求介质有适当的能级结构，其次还要有必要的能量输入系统。供给低能态的原子以能量，促使它们跃迁到高能态去的过程称为抽运过程。

由于激光是一种光，所以人体对光最敏感的器官是眼睛。因此激光对人的损害，最需要防护的是眼睛。

眼球是很精细的光能接受器，它是由不同屈光介质和光感受器组成的极灵敏的光学系统。它能将一定波长的光辐射传输到眼底，使其在视网膜上成像。眼屈光介质有很强的聚焦作用，将入射光束高度汇聚成很小的光斑，从而使视网膜单位面积内接受的光能，比入射到角膜的光能提高105倍。视网膜光感受器是极灵敏的光敏组织，在蓝、绿光谱内只要8～10个光子就可以产生视觉，其能量相当于1.4×10-5焦耳/厘米2。因此，眼球是激光最敏感的器官，很容易受到激光的伤害。

目前，常用的激光振荡波长从0.2微米的紫外线开始，包括可见光、近红外线、中红外线直到远红外线。由于人眼的各部分对不同波长光辐射的透射与吸收不同对眼的损伤部位与损伤程度也不同。一般来说，紫外线与远红外线在一定剂量范围内主要损伤角膜，可见光与近红外线波段的激光主要损伤视网膜，超过一定剂量范围各波段激光可同时损伤角膜，晶体与视网膜，并可造成其他屈光介质的损伤。

总之，激光对眼球前部组织的损伤主要是该部分组织对紫外线与红外线激光辐射比较敏感，造成白内障。而激光对视网膜的损伤则主要是由于可见激光（如红宝石、氩离子、氪离子、氦氖、氦镉与倍频钕激光等）与红外线激光（如钕激光等）均能透过眼屈光介质到达视网膜，其透射率在42～88%，视网膜与脉络膜有效吸收率在5.4～65%之间。其中倍频钕激光发射0.53微米波长，十分接近血红蛋白的吸收峰。因此，倍频钕激光容易被视网膜与脉络膜吸收。另外，造成眼底损伤的能量也很低，只要很少的能量就可以产生较严重的损害，将视网膜局部破坏，成为永久性伤害。

世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术。传统上看，它的研究范围一般可分为，加工系统（包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统）；加工工艺（包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺）：