激光原理及其应用

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1、激光原理及其应用摘要：本文主要介绍激光的物理学基本理论和原理，激光器的结构、振荡 条件，还介绍了激光的模和激光振荡模的概念，通过调 Q 和 Q 开关技术提高激 光器输出功率和压缩激光脉冲宽度，通过锁模技术形成脉冲宽度极窄、功率极 高的激光。然后介绍了激光技术特性以及在实践中的应用：激光精密计量、激 光信息处理、强激光的应用、激光医学、激光生物应用、激光武器、科学实验 应用。Abstract: This paper introduces the basic theory of laser physics and principles, the structure of laser oscilla

2、tion condition, also introduced the laser modules and laser oscillation mode of the concept of a Q-and Q-switching technology to improve laser output power and laser pulse width compression by clamping techniques to form a very narrow pulse width, high power laser. Then introduced laser technology f

3、eatures and applications in practice: laser precision measurement, laser information processing, laser applications, laser medicine, biological applications of laser, laser weapons, scientific experiments application.激光是二十世纪六十年代出现的一种新型光源激光器发出的光。激光一 词的本意是受激辐射放大的光。I960年美国休斯研究实验室的梅曼制成了第一 台红宝石激光器，1961年9

4、月中国科学院长春光学精密机械研究所制成了我国 第一台激光器。此后，在激光器的研制、激光技术的应用以及激光理论方面都取 得了巨大进展，并带动了一些新型学科的发展，如全息光学、傅立叶光学、非线 性光学、光化学等，激光还与当今的重点产业信息产业密切相关。与激光有关的诺贝尔物理学奖获得者有：1964年，美国汤斯、原苏联巴索 夫和普洛霍罗夫因在激光理论上的贡献而获奖。1981年美国肖洛因发展激光光 谱学及对激光应用作出的贡献、美国布隆伯根因开拓与激光密切相关的非线性光 学共同获奖。1997年美国朱棣文、科恩和飞利浦因首创用激光束将原子冷却到 极低温度的方法共同获奖。第一章：激光的原理及其相关技术第一节：

5、激光原理一.物质与光相互作用的规律光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时 改变自身运动状况的表现。微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分 立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态（或者简单地表述为处 在某一个能级上）。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并 相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差，频率为二AE/h （h为普朗克常量）。1. 受激吸收（简称吸收）处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换 的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对 应的较咼能级。这种跃迁称

6、为受激吸收。过程前过程后砂酚 EiEi閣9-2受激吸收过程前过程后2 酚h V7、*Ei酚自2. 自发辐射粒子受到激发而进入的咼能态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒 子的较低能级，既使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级（E2） 向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率=（E2-E1） /h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、 偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光。过程前 过程后场 Si酚总1 *受激幅射3. 受激辐射、激光1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还 可以另一

7、方式跃迁到较低能级。他指出当频率为二（E2-E1） /h的光子入射时， 也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与 外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐 射。可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率=（E2-E1） /h 的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光 子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征 相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被 放大的光就是激光。二粒子数反转爱因斯坦1917提出受激辐射，激光器却在1960年问世，

8、相隔43年，为什 么？主要原因是，普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受 激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在 各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低 能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光 的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒 子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反， 称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激 光的必要条件。理论研究表明

9、，任何工作物质，在适当的激励条件下，可在粒子体系的特定 高低能级间实现粒子数反转。第二节：激光器的构造激光器一般包括三个部分。1、激光工作介质：激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。 在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能 级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激 光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。但从激光器输出的激光性能来考虑， 对使用的工作物质是有一定的要求的，基本要求是（1）光学性质均匀，光学透 明性良好，且行性能稳定；（2）有能级寿命比较长的能级（称为亚稳态能级）;（3） 有比较高的量子效率

10、。2、泵浦源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使 处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去 激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还 有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得 到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。3 、共振腔 有了合适的工作物质和泵浦源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激 辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓 光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎 全反射，一块光

11、大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。 被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振 腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反 射镜子一端输出。下面以红宝石激光器为例来说明激光的形成。工作物质是一根红宝石棒。 红宝石是掺入少许 3 价铬离子的三氧化二铝晶体。实际是掺入质量比约为 0.05% 的氧化铬。由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石呈粉红色。 1960 年 梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径0.8cm、长约8cm的圆棒。两端面 是一对平行平面镜，一端镀上全反射膜，一端有 10%的透射率，可让激光透出。红宝

12、石激光器中，用高压氙灯作“泵浦”，利用氙灯所发出的强光激发铬离 子到达激发态e3,被抽运到e3上的电子很快（10 8s）通过无辐射跃迁到e2。 e2是亚稳态能级，e2到el的自发辐射几率很小，寿命长达10-3s，即允许粒子 停留较长时间。于是，粒子就在 e2 上积聚起来，实现 e2 和 e1 两能级上的粒子 数反转。从e2到el受激发射的波长是694.3nm的红色激光。由脉冲氙灯得到的 是脉冲激光，每一个光脉冲的持续时间不到1ms,每个光脉冲能量在10j以上； 也就是说，每个脉冲激光的功率可超过10kw的数量级。注意到上述铬离子从激 发到发出激光的过程中涉及到三条能级，故称为三能级系统。由于在

13、三能级系统 中，下能级 e1 是基态，通常情况下积聚大量原子，所以要达到粒子数反转，要 有相当强的激励才行。第三节：激光的振荡条件激光器要满足所谓振荡条件才有激光输出工作物质受到泵浦后，受激辐 射跃迁过程增加了光功率，但与此同时，也存在减少光功率的因素比如，从共 振腔一端反射镜透射出去的，由于衍射效应而逸出共振腔的，还有因为工作物质 内存在或多或少的光学散射颗粒而引起散射损失的、工作物质内杂质原子吸收掉 的等等显然，只有当由受激辐射跃迁产生的光功率超过在共振腔内损失掉的量， 或者说，光辐射的增益超过它的损耗因子，腔内的受激辐射光强度才会越来越强， 最后形成激光振荡假定由工作物质提供的激光增益系

14、数为G（v），光辐射沿工作物质传播长 度l之后，其强度将增大expG （v） l倍.又假定共振腔的光学衍射、工作物 质的光学吸收和光学散射造成的损失都很小，可略去不计，只考虑共振腔两块反 射镜的透射损失若两块反射镜的反射率分别为 R 、R ，则光辐射在共振腔内传播 12一趟，单位长度上的平均损失因子是（1-R） ）1 （式中肓,1是两块反射镜间的距离）,1 2那么激光器发生激光振荡的条件是expG （v） l- （1-R）三1亦即要求G（V） 1（1-R）相应地，满足条件（3.9）时，对工作物质内的能级粒子数反转密度（N-N ）21 以及需要的泵浦能量（或功率）也有要求，最低的要求量分别称为阈

15、值粒子数反 转密度和阈值泵浦能量（功率）对于谱线中心这个波长，阈值粒子数反转密度 N 由下式计算：tANt= N2 -Nt Cg2/gl）=斑；叫（土）gio）式中T是激光跃迁上能级的寿命，是增益谱线宽度.发射波长入f=632.8nm的He-Ne激光器（氖原子发射这个波长的能级的平均寿命T10飞，f谱线宽度Av1.5X 109Hz.假定共振腔两块反射镜的反射率R0.98,放电管长1 2度l=10cm）,其阀值粒子粒反转密度厶N =1.9X109cm-3固体激光工作物质中激活粒 t子的能级寿命T比较长，谱线宽度Av也比较宽，所以相应的比较大. ft如果考虑工作物质杂质原子的吸收，阈值粒子数反转密

16、度厶N由下式计算 t式中的a为光学吸收系数.第四节：模和激光振荡模模（或叫波型）是激光理论中的一个基本概念.从光的波动观点看，模是指 电磁波动的一种类型，实际上也就是存在于空腔中各种不同频率的驻波；从光的 粒子观点看，模是代表了可以相互区分的光子态.在各向同性的空间内，单位体 积的模数目N为中v是光辐射频率，c是光速， v是光辐射的频率范围在光频区，v 1014Hz,Av1010Hz，由式（3.12）算得在lcm3体积内的模数目为108.在激 光器所用的开放式共振腔内，模的数目大大减少，而满足激光振荡条件的模数目 就更少了.满足激光振荡条件的稳态电磁场分布称为激光振荡模，在腔长l的共 振腔内，

17、两个模的频率间隔Avc/2l （c是光速）.能达到激光振荡条件的模， 它的辐射频率必须在光学增益带宽内.假定共振腔的腔长为10cm,两个模之间 的频率间隔1.5X 109Hz. He-Ne激光器的增益带宽AvG1.5X108Hz.这 意味着，实际上能够同时达到激光振荡条件的只有一个模.红宝石的增益带宽 vG2X 1011Hz,如果采用相同长度的共振腔，在增益带宽内可以容纳13个模.在 谱线均匀致宽的情况下，会发生振荡模竞争的现象，这 13 个模最终只有少数几 个能同时发生振荡总的来说，激光器的激光振荡模数目是很少的前面谈的是沿同一个传播方向，按光频率区分光子态得到的结果，这样的模 称为纵模还有

18、按辐射传播方向区分光子态，这就是横模从波动观点来看，在 垂直于光束传播方向的横截面上，每一种稳定存在的电磁场分布形式称为一种横 模式，用符号TEMmn表示，下标m、n代表模的阶数.m=n=0的模称为基模，其 余的称高阶模图 3-3 是几种横模的光电场分布形式和光强空间分布花样横模 阶数高的模，其光强空间分布范围大，在共振腔内来回传播过程中逃逸出共振腔 的量大所以，虽然可存在的横模有许多个，但能满足激光振荡条件的只有少数 几个第五节：调Q和Q开关这是通过改变激光器共振腔Q值，提高激光器输出功率和压缩激光脉冲宽度 的技术.共振腔的Q值（也称腔的品质因子）是描述激光器共振腔光学损耗大小 的量.光学损

19、耗低的腔，其Q值高.共振腔的Q值由下式计算Q=2nv腔内存储的能量/每秒损失的能量 当泵浦源向激光器工作物质输入的能量（功率）达到振荡阈值时，激光器便 产生激光振荡，输出激光如果泵浦源继续泵浦，维持激光器在阈值以上，它就 连续输出激光.激光振荡阈值与共振腔的光学损耗，亦即与共振腔的Q值有关.如 果激光器的工作物质在受泵浦的期间，让共振腔的Q值保持很低，则激光器因振 荡阈值很高而不能发生激光振荡，大量的泵浦能量继续存在工作物质内当工作 物质已“吸饱”泵浦能量时，突然升高共振腔的Q值，相应地，激光振荡阈值也 突然降低，在阈值之上那部分储存能量便在短时间内发射出来，形成功率很高的 激光脉冲.用这个办

20、法得到的激光能量虽然比自由振荡（即不加Q开关）时得到 的激光能量低一个数量级，但是，自由振荡激光器输出的光脉冲宽度是毫秒量级， 而采用 Q 开关后得到的激光脉冲宽度大大缩窄，是几十纳秒量级.总的来说，还 是使激光器输出功率净增加104到105倍，达几百兆瓦到几千兆瓦.实施共振腔Q值突变的方法（也称Q开关）基本上有两种：被动法（被动Q 开关）和主动法（主动Q开关）.前者是靠激光器本身完成共振腔Q值的变化， 后者是由外部机械或电子学信号使共振腔Q值发生变化.两种方法都要求共振腔 Q值变化迅速，变化幅度大假定Q值变化速度缓慢，储存在共振腔内的能量将 以宽脉冲形式释放出来，结果是降低了激光功率水平，Q

21、值变化幅度太小，实际 可转化为激光的能量数额也小常用 Q 开关有如下几种：1. 可饱和吸收体Q开关这是属于被动 Q 开关在共振腔内放可饱和吸收染料盒（或染料片）、色心 晶体等（见图 3-4）它们对腔内的激光透过率是光强的函数，在开始时，共振 腔内的受激辐射强度低，它们对光辐射的吸收率大，即共振腔的Q值很低；当工 作物质被充分泵浦而达到激光振荡阈值时，它们发生饱和吸收，透过率上升到接 近 100% ，共振腔的 Q 值也随即突然升高到很高的数值M染料盒M可饱和吸收体Q开关2电光 Q 开关在共振腔内放电光元件和偏振分析器（如果激光器工作物质产生的辐射是偏 振的，可以不用放偏振分析器）（见图 3-5）

22、当给电光元件加上外电场时，会使 通过的激光的偏振面发生旋转，由此可控制光束通过分析器的透过率共振腔的 Q 值直接与分析器的透过率有关现在最常用的电光元件是克尔盒和普克尔盒3机械 Q 开关用马达带动共振腔的一块反射镜高速旋转（见图 3-6），当旋转的镜子 转到与共振腔另一块反射镜精确平行的位置时，腔的 Q 值最高，在其它位置时腔 的 Q 值都比较低反射镜的转动必须与闪光灯的触发同步，使两块反射镜达到平 行时，工作物质已得到充分的泵浦通常使用 Porro 棱镜做转镜，其转轴和激光 束轴线之间的小角度偏差并不影响共振腔的准直这种 Q 开关的主要优点是重复 性好，主要缺点是容易产生噪声.直角旋转棱镜I

23、 240000r/mmi = D机械 Q 开关 第六节：激光的锁模技术 激光锁模技术是使用适当方法，让激光器中发生振荡的各个模之间建立稳定 的相位关系，发生相位“干涉”，形成脉冲宽度极窄、功率极高的激光的技术.常用的激光器增益宽度都比较宽，在其频率范围内可同时容纳许多个模， 而且它们当中有不少会同时达到激光振荡条件.这些振荡模不仅在频率上有些差 别，振荡相位 也彼此没有关联.这些振荡步伐不划一的光波混杂在一起，总的 光辐射强度分布便呈现无规则起伏状态激光器输出的光强实际上是各个振荡模 强度按时间平均的统 计平均值因此，脉冲展得比较宽，得到的功率也不会很图 3-7 （ a ）是三个振荡模 v1

24、， v2， v3 独立行动的状态，因为它们的相 位彼此不一致，结果是总体光强体现不出规则的变化如果各个模的相位保持稳 定的关系，如图（b）那样，就会出现在A, B, C等地方三个模的光振动波峰相 叠加，总的光波振幅为单个模的三倍，而在其它地方，则因为出现波峰、波谷相 遇，光振动彼此抵消，总的光波振幅很小这么一来，我们就可获得一列振幅高 低差别悬殊、波形重复出现的光波，或者说得到一列功率很高、脉冲重复出现的 光脉冲序列假定激光器同时发生振荡的模有n个，那么，锁模后得到的光脉冲宽度 将缩窄为自由振荡时的1/n,而激光功率提高n倍，对于钕玻璃激光器，变化的 倍数可达104倍所以自从第一台激光器研制成

25、功后，就注意使振荡模之间的相 位关系稳定，以提高激光的功率使 各个振荡模相位关系稳定一致的基本做法是：在共振腔内放置象信 号发生器那样的“主动”外激励调制器（现在常用的有电光调制器、声光调制器）， 或者放可饱和 吸收染料这样的“被动”调制器相应地将前一种称为主动锁模， 后一种称为被动锁模下面以主动锁模为例，说明锁模的工作原理用频率 fi 驱动放在共振腔内的那只主动调制器工作，同时让最靠近增 益峰值频率 vm 的模开始激光振荡受调制器的作用，这个模的电磁场通过调制 器之后将形成频率分别为vm+fi和vm-fi的边带如果驱动频率fi等于两个纵 模的频率间隔（数值等于c/2l, c为光速，l为共振腔

26、腔长），那么，vm带将通 过两个边带的“搭桥”与和它相邻近的两个模发生耦合，三者建立了振荡相位关 系当频率vm土fi的边带通过调制器时，又产生频率vm 2fi的新边带，它们 又把vm与和它相隔频率2fi的模耦合起来，建立激光振荡相位关系辐射在腔 内来回通过调制器传播，与vm建立振荡相位关系的模越来越多，最后使在激光 增益线宽范围内全部的纵模都耦合起来.我们说，振荡模此时已被锁定，激光器 进入锁模状态.除 前面谈到的主动锁模和被动锁模之外，还有同步泵浦锁模、碰撞锁模、 主被动锁模等.用一台锁模激光器输出的连续脉冲序列泵浦另一台激光器，当被 泵浦的激光器 共振腔长度与泵浦激光器的共振腔长度几乎相等

27、或者是它的整数 倍时，在一定条件下，也等效于在腔内放调制器，因而可以获得短脉冲激光输出， 其脉冲宽度在最佳条件下比泵浦光脉冲宽度小23个数量级.染料激光器、色 心激光器、半导体激光器都可以采用这种锁模方法.碰撞锁模是让两个光脉冲在 共振腔内相向传播，当它们在腔内的可饱和吸收体中重叠时，建立起对光束的调 制作用，使激光器进入锁模状态.利用这个办法已获得脉冲宽度为飞秒（fs, 1fs = 10-15s）量级的激光脉冲.利 用被动锁模可以产生很窄的光脉冲，但这种方法也有一些缺点，比如为 了产生稳态区必须非常严格地校正泵浦参数和共振腔参数，可调谐性还受可饱和 吸收体的限制.主动锁模能获得稳定性和重复性

28、比较好的激光脉冲，而且适用 的激光频率范围比较宽，但能够得到的脉冲宽度一般来说不如用被动锁模方法得 到的窄.把被动锁模和主动锁模相结合，就可以获得稳定性好脉冲宽度又窄的 激光脉冲.比如，采用铌酸锂（LiNbO3）电光调制器作主动锁模器的红宝石激光 器，在共振腔内放入隐花青盒（被动锁模用的饱和吸收体），激光脉冲宽度便由原先的lOOps （皮秒,lps=10-12s）压缩到5ps.从性质上来说，激光和普通光同属于光频波段的电磁波。但是，激光有它的 特殊性,利用它能够做许多以往用普通光完成不了,或者完成得不好的工作。今 天,激光技术意深入到国民经济建设和科学研究的各个领域,成为一门正走向实 用化的高

29、技术。要想利用激光到现实生活中必须首先了解激光的特性：激光有极咼的亮度，大体上说，可以达到必太阳光的亮度还咼100万亿倍。普通光源的亮度则比太阳光还低广元的单色亮度B由下式表示入B =P/AS入 Q 2入式中P是发光功率，AS是发光面积，q 2是光辐射传播的立体角，入是光 辐射频谱宽度，激光器的亮度极咼主要源于：1. 方向性好。激光器的天性就是知朝一个方向发射光，而且射出的光束发 散角很小，接近衍射极限，称得上是咼度平行的光束。迫同光源和激光器的发光 范围2. 单色性好。科学上用光辐射能量集中的频谱区间（称浦现宽度）衡量光 的单色性，谱线宽度越窄，它的单色性越好。激光的单色性比别的光源更好，特

30、 制发红光的HeNe激光器，波长632.8NM的谱线宽度只有2* 10 9NM。3. 相干性极好：相干性是表示电磁场在空间不同位置上瞬时的或统计的相 位相关性质。在辐射场中的两个不同的点上，长的相位差总是有某些无规律起伏。 如果光束中的两点之间无规相位差平均值凑巧小于1RAD,这两个点之间的距离 叫“相干强度”。把相干长度之内两点的场分离开，然后再用某些方式把它们重 新叠合，会发生干涉效应，形成明暗相间的条纹。一般来说，沿光束传播方向和 沿截面方向的相干长度是不相同的。光波沿其传播方向通过相干长度所需的时间 叫“相干时间”。相干长度和相干时间与光波单色性有关。激光的单色性很好， 所以，他的相干

31、长度很长。4. 光脉冲宽都可以极窄：光源的亮度正比于发光功率。光源发射的能量集 中在很短时间内发射出来，产生的光功率也就很高。普通光源很难产生脉冲宽度 很窄的光脉冲，而激光器能产生宽度计窄的光脉冲，使用 Q 开关的激光器，可以 输出脉宽10-9S作用的光脉冲，使用锁模技术的激光器，可以产生10-14S的 光脉冲。1. 激光精密计量：激光有很好的单色性和相干性，用它作计量检测，能获 得很高的计量精度，且测量方便快捷。激光可以用来作长度计量， 1983 年第17 届国际计量大会通过长度单位米的新定义：米是1/299792458 秒的时间间隔内光 在真空中的行程的长度。在重新定义米的讨论中，决定用精

32、确测量的激光的频率 V。2. 长度测量：利用光的干涉方法能进行精密长度定位，但是，有效量程受 单色性限制，但激光有很好的单色性，用它的计量的有效量程会大得多。3. 测距和测速：利用激光照射在运动物体上产生的反射光多普勒频移，或 利用从运动物体表面散射的激光衍射花样发生的移动，可以确定物体的运动速 度。这种方法测量的速度范围宽，低的可以测出每秒移动0.007CM的速度，高的 可以测出每秒几百米的速度。4. 激光准直导向：光沿直线传播。激光的亮度高，方向性又好，是良好的 天然准直线和导向指示线。它无重量，不发生重力弯曲，还可以通过光电子系统 作自动准直校正，准直精度高，完成准直花费时间少，手续简便

33、。5. 激光表面质量检测：以激光的相干性和单色性为基础的检查技术，检查 速度快，漏检率低，还可以在生产线上进行检查和分类。利用激光全息技术可以 不用解剖样品而直接探出零件内部是否存在缺陷，以及缺陷的位置，大小。即激 光无损检测。激光信息处理在现代社会生活中，需要存储传递和处理的信息量巨大，而且数量还与日俱 增。激光技术能够大幅度提高信息处理能力。利用激光束来读取和写入信息在光 盘上，存储量巨大而且读取信息时间很短在 50ms100ms 之间，而且只要光点与 光盘不发生机械磨擦，只要光盘材料稳定，使用寿命原则上是无限的。无线电通信，传递信息迅速快捷，随着传递的信息量日益增大。提高传递信 息容量比

34、较简单而有效的方法时提高使用的载波频率， 光波的频率在 1014Hzl015Hz之间，所以光波通信的容量比以往的微波通信提高1万倍到10万 倍。不过普通光源发射的是非单色光，并不适合做通信的载波。只有激光发明后， 提供了单色性很好的光波，光通信才进入实用化。利用光波的载波通信，做法和 微波通信相类似。激光器输出的光束经过光电调制器调制后送到发射天线（一只 光学发射镜）发射出去。在用户接手段，接受天线（也是发射镜）把传送过来的 光辐射汇集在光电接收器，它输出的电信号再经电发大和解调之后就可以得到传 递的信息。在实际应用中，为避免光波在大气传播过程中受到大气吸收，散射造 成的损失，光信号是在光纤内

35、传送的。光信号在光纤中的损耗很小，现在的技术 水平已达到0.2SB.KM-1,这就是光纤通信。光计算光波有并行性，又可以交叉，亦即几束光在一起不发生相互影响（电流则没 有这个性质），所以，利用广播数代替电流构造计算机，会获得更高的计算速率 和容量。数字光学计算机能克服电子计算机串行处理中的“瓶颈效应”使计算速 度和容量大幅度提高。此外，激光图像处理技术（由于光束的并行及可交叉互联 性）是一种高速信息处理技术，它可与计算机图像处理互为补充。在显示技术方 面，激光液晶大屏幕显示将代替阴极射线观，成为下一代电视的主角。强激光的应用用透镜聚集的太阳光可以把火柴纸片点燃，激光的亮度比太阳光高千万亿 倍，

36、经光学系统聚集的激光束可以使金属瞬间熔化，进行机械加工；可以给核燃 料“点火”，实施核聚变发电；可以分离同位素，制造廉价核燃料。1. 激光加工聚集起来的激光束内光功率密度可以极高可以把大多数金属瞬间加热融化、 气化。利用这个原理，激光束可以在材料上打孔，可以对材料作切割、焊接、划 片、雕刻、去重和表面淬火处理。用激光作这样的机械加工，比用普通工具加工 优越。2. 激光分离同位素激光的单色性很好，利用不同的同位素原子（分子）光谱的同位素位移，可 以选择性地激发、电离、或离解其中某种同位素原子，最后再利用物理方法或化 学方法把这种同位素从混合物中分离出来。用这个方法可以获得比较高的分离系 数，且运

37、转的能耗低，半场投资低，它们分别只有气体扩散发（现时的主要分离 技术）的 1/20 和 1/10.激光核聚变 这是利用高功率激光束作用于氘、氚或氘氚制作的靶丸，使氘、氚核发 生聚合，同时释放出巨额核能量的技术。因为整个聚变过程是在极短时间内完成， 氘、氚燃料丸来不及膨胀，因此它又称惯性约束聚变。激光医学利用高亮度激光束产生的热效应，以及单色性好的激光束产生的生物效应可 以治疗疾病。现在，激光技术已成为医学中的新技术，并且开始形成一个新医学 分支激光医学，它可以医治包括眼科、妇科、皮肤科、内科、肿瘤科在内的 200 多种疾病，治疗的方法主要有：激光刀、光凝治疗、光照射治疗。低功率激 光束照射生物

38、体，通过生物效应，能对人体起消炎、消肿、镇痛和促进伤口愈合 的作用。直径细小的激光束照射体穴和耳穴，能获得用银针针灸的效果。激光针 灸操作方便安全，不出现晕针、滞针、断针和刺伤血管、神经及内脏的情况，无 痛感。对某些目前认为难度较大的疾病，不如各种癌症、心血管病、肾结石等， 用激光治疗会得到极好的疗效。用自外激光局部消融角膜、改变眼球的曲率半径， 是目前矫正部分患者的近视、远视和散光的新方法。对深度近视，用激光矫正后 一般能达到正常视力标准。激光生物应用生物组织吸收激光能量后，将引起生物体发生光生物热效应、生物光压效应、 生物光化学效应、生物电磁效应和生物刺激效应，由此会引起生物异变。基于这

39、个道理，现在激光在农业生产上已取得了相当好的效果。而用激光照射蔬菜、果 树等，可提高产量和改善品质，同时也能提高畜牧、渔业生产能力。我国用激光 技术育种的办法培育出水稻、小麦新品种，累计推广播种面积 2 千多万亩，增产 粮食 150 多万吨。激光武器激光武器基本上是由高能激光系统，精密跟踪系统两部分组曾。它又可分为 战术激光武器和战略激光武器两类。前者主要指以伤害人眼睛及武器系统中的光 电传感器系统和制导炸弹、导弹、炮弹以及打击战术导弹为目标的激光武器。它 要求射击的距离不太远，需要的激光能量不台高，现在已接近实战应用。激光战 略武器主要用于拦截和摧毁洲际弹道导弹、卫星、天基武器站等战略目标。

40、这类 激光武器要求的激光功率（能量）比较高，还要有高精度的瞄准跟踪系统，目前 还未达到实用阶段。科学实验应用 激光技术推进了物理学、化学和生物学的研究发展，加深了人们对物质及其 运动规律的认识，并且促进形成了一些新科学分支：非线性光学、激光光谱、激 光微束。激光有很高的单色亮度，它与物质相互作用时产生了许多新的光学现象， 如光倍频、光和频及光差额、四波混频、多光子吸收、自聚焦和自散焦、饱和吸 收、自感应透明、受激散射、光学双稳态和参量过程等。研究这些现象的性质和 它们的应用，构成了非线性光学。光谱是研究和分析物质结构及成分的重要技术， 也是研究原子、分子结构，了解客观世界物质组成的重要手段。激

41、光有很好的单 色性和很高的高度，用激光作光源，能消除多普勒效应的影响，光谱分辨率达到，比通常得到的最高光谱分辨率高 100万倍。把激光束通过光学系统导入显微 镜，经它放大、聚焦成直径为微米量级的光束，在科学研究中，特别是在生物工 程中会有很大的应用潜力。激光器的发明已有 30 多年的历史，制成功的激光器各种各样，发展的激光 技术也多种多样，开辟了众多的应用领域。激光特有的优良品质，对提高生产技 术水平意义重大，并将促进形成新的高科技产业，其中的激光加工业、激光印刷 业、激光光盘产业、光纤通信产业、激光医疗产业潜力巨大。同时我们还要大力 发展短波长和长波长激光技术。在军事上发明新的激光武器。是激光可以更好的 应用到实际生活中。