激光光源的工作原理，特點及應(yīng)用領(lǐng)域

激光光源在工業(yè)、醫(yī)療、科研，軍事等領(lǐng)域有非常重要的作用，激光光源具有非常多的優(yōu)點，比如單色性好，方向性強，亮度高等等。松盛光電來給大家介紹激光光源的工作原理，特點，以及應(yīng)用領(lǐng)域，一起來了解一下吧。

工作原理

粒子能級躍遷：激光光源中的工作物質(zhì)通常是一些具有特殊能級結(jié)構(gòu)的原子、分子或離子。在正常情況下，這些粒子處于低能級狀態(tài)。當(dāng)受到外界能量的激勵，如通過光泵浦、電流注入或化學(xué)反應(yīng)等方式，粒子吸收能量后躍遷到高能級的激發(fā)態(tài)。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：在泵浦激勵源的持續(xù)作用下，使得高能級激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)多于低能級激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)，這種狀態(tài)被稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。它是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵條件之一，只有實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，才有可能產(chǎn)生受激輻射。

受激輻射：處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)中，當(dāng)有一個能量等于高能級與低能級之差的光子入射時，會引發(fā)處于高能級的粒子以一定概率躍遷到低能級，并釋放出一個與入射光子具有相同頻率、相同方向、相同相位和相同偏振態(tài)的光子，這個過程就是受激輻射。新產(chǎn)生的光子又會去激發(fā)其他處于高能級的粒子，產(chǎn)生更多相同的光子，從而實現(xiàn)光的放大。

光學(xué)諧振腔：為了使受激輻射能夠持續(xù)進行并形成強大的激光束輸出，需要一個光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔通常由兩個相對放置的反射鏡組成，其中一個反射鏡具有較高的反射率，另一個反射鏡則具有部分透過率。工作物質(zhì)位于諧振腔中，受激輻射產(chǎn)生的光子在諧振腔內(nèi)來回反射，不斷地與工作物質(zhì)相互作用，使得光信號得到進一步放大。在這個過程中，只有那些沿著諧振腔軸線方向傳播的光子才能在腔內(nèi)多次往返并得到有效放大，而其他方向的光子則會很快逸出諧振腔。當(dāng)腔內(nèi)的光強達到一定程度時，部分透過率的反射鏡會允許一部分光輸出，形成激光束。

特點

單色性好：激光的顏色很純，其單色性比普通光源的光高 10 倍以上。例如，氦氖激光器輸出的紅光，其波長分布范圍可以窄到 2×10-9 納米，是氪燈發(fā)射的紅光波長分布范圍的萬分之二。這使得激光在一些對單色性要求較高的領(lǐng)域，如光通信、光譜分析、激光干涉測量等方面具有重要應(yīng)用。

方向性強：激光束的發(fā)散立體角很小，為毫弧度量級，比普通光或微波的發(fā)散角小 2-3 數(shù)量級。例如，激光射到 38 萬公里的月球上，其光斑直徑還不到 2 公里。這一特性使得激光可以在長距離傳輸中保持較高的能量密度，并且能夠精確地聚焦到很小的區(qū)域，可用于激光加工、激光測距、激光制導(dǎo)等領(lǐng)域。

亮度高：激光焦點處的輻射亮度比普通光高 10-100 倍。由于激光的發(fā)射能力強和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高億萬倍，比太陽表面的亮度高幾百億倍。例如，紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產(chǎn)生的照度約為 0.02 勒克斯，而若用功率最強的探照燈照射月球，產(chǎn)生的照度只有約一萬億分之一勒克斯。高亮度使得激光能夠用于一些需要高能量密度的應(yīng)用，如激光切割、激光焊接、激光打孔等，也可以用于軍事領(lǐng)域的激光武器等。

相干性好：相干性是所有波的共性，但激光是受激輻射光，具有極強的相干性，所以稱為相干光。普通光是自發(fā)輻射光，其光子的相位是隨機的，不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。而激光的光子在頻率、相位、偏振態(tài)等方面都具有高度的一致性，因此可以產(chǎn)生明顯的干涉和衍射現(xiàn)象。這一特性在激光干涉測量、全息成像、光通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

能量密度高：激光可以在很短的時間內(nèi)釋放出巨大的能量，形成強烈的沖擊力。這使得激光可以用于切割、焊接、打孔等加工，也可以用于軍事攻擊和防御。

可調(diào)諧性：一些激光光源可以通過改變工作物質(zhì)的參數(shù)或外部激勵條件來實現(xiàn)波長的調(diào)諧，從而滿足不同應(yīng)用對波長的需求。例如，染料激光器可以通過選擇不同的染料和調(diào)整泵浦光的波長來實現(xiàn)較寬范圍的波長調(diào)諧。

激光光源的應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)領(lǐng)域

材料加工

切割：激光切割具有精度高、切口窄、熱影響區(qū)小等優(yōu)點，可用于切割各種金屬和非金屬材料，如汽車行業(yè)的車身板材切割、航空航天領(lǐng)域的鈦合金切割、電子行業(yè)的電路板切割等。

焊接：激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)高強度、高質(zhì)量的焊接，可用于汽車車身的焊接、鋰電池的封裝焊接、電子元件的焊接等。

表面處理：激光表面處理可以提高材料表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性等性能，如激光淬火、激光熔覆、激光合金化等。

打孔：激光打孔可以在高硬度材料上打出高精度的小孔，如航空航天領(lǐng)域的發(fā)動機葉片打孔、電子行業(yè)的印刷電路板打孔等。

打標(biāo)：激光打標(biāo)可以在各種材料表面打上永久性的標(biāo)記，如產(chǎn)品序列號、生產(chǎn)日期、二維碼等，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械、汽車零部件等行業(yè)。

測量控制

激光測距：激光測距儀利用激光脈沖反射來測量物體與測量點之間的距離，具有精度高、速度快、操作簡便等優(yōu)點，常用于建筑、工程、軍事等領(lǐng)域。

激光測速：激光測速儀利用激光多普勒效應(yīng)來測量物體的運動速度，可用于交通測速、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。

激光干涉測量：激光干涉測量技術(shù)可以用于測量物體的微小變形、振動等，廣泛應(yīng)用于航空航天、機械制造、光學(xué)儀器等領(lǐng)域。

激光掃描：激光掃描技術(shù)可以用于獲取物體的三維形狀信息，可用于逆向工程、三維打印、文物保護等領(lǐng)域。

醫(yī)療領(lǐng)域

治療

激光手術(shù)：激光手術(shù)具有創(chuàng)傷小、出血少、恢復(fù)快等優(yōu)點，可用于眼科手術(shù)、皮膚科手術(shù)、耳鼻喉科手術(shù)等，如激光近視手術(shù)、激光祛斑手術(shù)、激光扁桃體切除術(shù)等。

激光治療腫瘤：激光治療腫瘤可以通過激光的熱效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)等殺死腫瘤細胞，可用于治療皮膚癌、乳腺癌、肺癌等多種腫瘤。

激光美容：激光美容可以用于去除皺紋、色斑、痤瘡等皮膚問題，還可以用于脫毛、嫩膚等，如激光除皺手術(shù)、激光祛斑手術(shù)、激光脫毛手術(shù)等。

激光針灸：激光針灸是一種非侵入性的針灸療法，利用激光照射穴位來調(diào)節(jié)人體的生理功能，可用于治療各種疾病，如疼痛、失眠、焦慮等。

診斷

激光診斷：激光診斷技術(shù)可以通過檢測激光與人體組織相互作用產(chǎn)生的信號來診斷疾病，如激光熒光診斷、激光拉曼光譜診斷、激光多普勒血流成像等。

激光內(nèi)鏡：激光內(nèi)鏡是一種將激光技術(shù)與內(nèi)鏡技術(shù)相結(jié)合的醫(yī)療器械，可用于診斷和治療胃腸道疾病、呼吸道疾病等。

激光顯微鏡：激光顯微鏡是一種利用激光作為光源的顯微鏡，具有高分辨率、高靈敏度等優(yōu)點，可用于觀察細胞、組織等微觀結(jié)構(gòu)。

商業(yè)領(lǐng)域

激光顯示：激光顯示技術(shù)具有高亮度、高對比度、高色域等優(yōu)點，可用于大屏幕電視、投影儀、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域。

激光打印：激光打印機利用激光束將墨粉吸附到紙張上，具有打印速度快、分辨率高、打印質(zhì)量好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于辦公、家庭等領(lǐng)域。

激光條碼掃描：激光條碼掃描器利用激光束掃描條碼，將條碼信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，可用于超市、倉庫等地方的商品管理。

激光防偽：激光防偽技術(shù)可以在產(chǎn)品包裝、標(biāo)簽等表面制作出具有獨特光學(xué)效果的防偽標(biāo)記，如激光全息防偽標(biāo)記、激光熒光防偽標(biāo)記等，可用于防止假冒偽劣產(chǎn)品。

科研領(lǐng)域

激光光譜學(xué)：激光光譜學(xué)是一種利用激光作為光源的光譜學(xué)技術(shù)，可用于研究原子、分子、離子等微觀粒子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

激光物理學(xué)：激光物理學(xué)是一門研究激光的產(chǎn)生、傳播、與物質(zhì)相互作用等方面的學(xué)科，是現(xiàn)代物理學(xué)的重要分支之一。

激光化學(xué)：激光化學(xué)是一門研究激光與化學(xué)反應(yīng)相互作用的學(xué)科，可用于研究化學(xué)反應(yīng)機理、催化劑設(shè)計等方面。

激光生物學(xué)：激光生物學(xué)是一門研究激光與生物組織相互作用的學(xué)科，可用于研究生物分子的結(jié)構(gòu)和功能、細胞的生長和分化、基因的表達和調(diào)控等方面。

信息領(lǐng)域

光通信：激光通信是一種利用激光作為載波的通信技術(shù)，具有傳輸速度快、容量大、抗干擾性強等優(yōu)點，是現(xiàn)代通信技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

光存儲：激光存儲是一種利用激光束在光盤等介質(zhì)上記錄和讀取信息的技術(shù)，具有存儲容量大、讀寫速度快、可靠性高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于計算機數(shù)據(jù)存儲、音像制品存儲等領(lǐng)域。

激光傳感器：激光傳感器是一種利用激光技術(shù)檢測物理量的傳感器，如激光位移傳感器、激光速度傳感器、激光加速度傳感器等，可用于工業(yè)自動化、機器人、航空航天等領(lǐng)域。

軍事領(lǐng)域

激光武器：激光武器是一種利用激光束的能量來摧毀或干擾敵方目標(biāo)的武器，具有速度快、精度高、威力大等優(yōu)點，可用于反衛(wèi)星、反導(dǎo)彈、防空等領(lǐng)域。

激光制導(dǎo)：激光制導(dǎo)是一種利用激光束來引導(dǎo)導(dǎo)彈、炸彈等武器命中目標(biāo)的技術(shù)，具有精度高、抗干擾性強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。

激光偵察：激光偵察是一種利用激光技術(shù)進行偵察的技術(shù)，如激光雷達、激光測距儀等，可用于獲取敵方目標(biāo)的位置、速度、形狀等信息。

激光干擾：激光干擾是一種利用激光束來干擾敵方光電設(shè)備的技術(shù)，如激光干擾機、激光眩目器等，可用于破壞敵方的通信、導(dǎo)航、瞄準(zhǔn)等系統(tǒng)。