【文章內容簡介】 勵能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉分布狀態(tài)。 在熱平衡狀態(tài)，腔內物質原子數(shù)按能級分布應服從波爾茲曼分布： 212211BEEkTngeng??? （ g 為能級簡并度）， 可知，因 21EE? ，所以 21nn? ，即在熱平衡狀態(tài)下，高能級粒子集居數(shù)恒小于低能級集居數(shù)，當頻率 21( ) /E E h? ?? 的光通過物質時，受激吸收光子數(shù) 1 12nW 恒大于受激輻射光子數(shù) 2 21nW 。因此，處于熱平衡狀態(tài)下的物質只能吸收光子。但是，在一定的條件下物質的光吸收可以轉化為光放大。這個條件就是 21nn? ， 稱其為粒子數(shù)反轉。一 般來說，當物質處于熱平衡狀態(tài)時，粒子數(shù)反轉是 不可能的，只有當外界向物質提供能量，從而使物質處于非平衡狀態(tài)時，才可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。實現(xiàn)反轉的手段有：激勵或泵浦或抽運，由外界能源向粒子系統(tǒng)輸入能量，使大量粒子躍遷到高能級。處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的物質稱為激活物質，一段激活物質就是一個光放大器。 光放大作用通常用增益系數(shù) G 來描述，設在光傳播方向上 z 處的光強為??Iz，則 7 ( ) 1() ()dI zGz dz I z? 積 分得 00() GzI z I e? 這就是線性增益情況如圖 5 所示。 實際上光強的增加是由于高能級粒子向低能級受激躍遷的結果，或者說光放大是以單位體積內粒子反轉數(shù)差值 21( ) ( )n z n z? 的減小為代價的。而且，光強越大， 21( ) ( )n z n z? 減少的越多，所以， 21( ) ( )n z n z? 隨 I 的增加而減少，增益系數(shù)也隨 I增加而減少，這一現(xiàn)象稱為增益飽和效應 [2]。 產生激光的基本條件及激光器的組成部分 產生激光的基本條件是： ⑴ 能在外界激勵能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉分布狀態(tài)的增益介質； ⑵ 要使受激發(fā)射光強超過受激吸收，必須實現(xiàn)粒子數(shù)反轉2211 0gnng??（方法是利用外界激勵能源把大量粒子激勵到高能級。）； ⑶ 要使受激發(fā)射光強超過自發(fā)發(fā)射，必須提高光子簡并度 n （方法：利用光學諧振腔造成強輻射場，以提高腔內光場的相干性 ）。 激光器的組成部分及其作用：一個激光器應包含泵浦源、光放大器和光學諧振腔三部分。其作用分別是使激光物質成為激活物質、對弱光信號進行放大、模式選擇和提供軸向光波模的反饋。 I（ z） 0I 0 z 圖 5 增益物質的光放大 8 3. 激光技術的應用 世界上第一臺激光器誕生于 1960 年，我國于 1961 年研制出第一臺激光器，40 多年來，激光技術與應用發(fā)展迅猛，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如光電技術，激光醫(yī)療與光子生物學，激光加工技術，激光檢測與計量技術，激光全息技術，激光光譜分析技術，非線性光學，超快激光學，激光化學，量子光學，激光雷達，激光制導，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術與新的學科的出現(xiàn)，大大地推動了傳統(tǒng)產業(yè)和新興產業(yè)的發(fā)展。激光應用的領域，主要有工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科研、信息和軍事六個領域。下面主要從激光在工業(yè)、醫(yī)療、信息和軍事四個方面來簡單介紹一下激光技術的應用： 激光技術在工業(yè)中的應用 工業(yè)應用中，主要有材料加工和測量控制。 激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性對材料 (包括金屬與非金屬 )進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工以及做為光源，識別物體等的一門技術。它的應用范圍一般可分為激光加工系統(tǒng)和激光加工工藝。激光加工系統(tǒng)包括激光器、導光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。激光加工工藝包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調等各種加工工藝。 下面簡單介紹幾種激光加工工藝： ⑴ 激光焊接： 汽車車身厚薄板、汽車零件、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污染和變形的器件。 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。目前，激光 — 等離子弧復合焊接技術正在被研究和投入使用，它具有剛性好、溫度高、方向性強、電弧引燃性好、加熱區(qū)窄等優(yōu)點，適用于薄板對接、鍍鋅板搭接、鈦合金、鋁合金等高反射率和高熱導率材料的焊接及切割、表面合金化等 [3]。 ⑵ 激光切割： 汽車行業(yè)、計算機、電氣 機殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、 彈簧墊片、 2mm 以下的電子機件用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英 玻璃、硅橡膠、 1mm 以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有 YAG激光器和 CO2激光器。 9 ⑶ 激光打孔： 激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。國內目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產中。目前使用的激光器多以 YAG 激光器、 CO2激光器為主，也有一些準分子激光器、同位素激光器和半導體泵浦激光器。 ⑷ 激光熱處理： 在汽車工業(yè)中應用廣 泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業(yè)和其它機械行業(yè)也應用廣泛。目前使用的激光器多以 YAG 激光器， CO2激光器為主。 ⑸ 激光快速成型： 將激光加工技術和計算機數(shù)控技術及柔性制造技術相結合而形成。多用于模具和模型行業(yè)。目前使用的激光器多以 YAG 激光器、 CO2激光器為主。 激光 在 測 量 方面的應用 主要為測距和測繪 ： ⑴ 激光測距： 這是利用激光的單色性和 、 相干性好、方向性強等特點，以實現(xiàn)高精度的計量和檢測，如測量長度、距 離、速度、角度等等。激光測距在技術途徑上可分為脈沖式激光測距和連續(xù)波相位式激光測距。脈沖式激光測距原理與雷達測距相似，測距儀向目標發(fā)射激光信號，碰到目標就要被反射回來，由于光的傳播速度是已知的，所以只要記錄下光信號的往返時間，用光速（ 30 萬千米 /秒）乘以往返時間的二分之一，就是所要測量的距離?，F(xiàn)在廣泛使用的手持式和便攜式測距儀，作