激光光源的工作原理，特點及應用領域

激光光源在工業(yè)、醫(yī)療、科研，軍事等領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，以及應用領域，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通常是一些具有特殊能級結構的原子、分子或離子。在正常情況下，這些粒子處于低能級狀態(tài)。當受到外界能量的激勵，如通過光泵浦、電流注入或化學反應等方式，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：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。它是產(chǎn)生激光的關鍵條件之一，只有實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉，才有可能產(chǎn)生受激輻射。

受激輻射：處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的工作物質中，當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，需要一個光學諧振腔。光學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。工作物質位于諧振腔中，受激輻射產(chǎn)生的光子在諧振腔內來回反射，不斷地與工作物質相互作用，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。當腔內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域，如光通信、光譜分析、激光干涉測量等方面具有重要應用。

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、激光制導等領域。

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用，如激光切割、激光焊接、激光打孔等，也可以用于軍事領域的激光武器等。

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、光通信等領域有著廣泛的應用。

能量密度高：激光可以在很短的時間內釋放出巨大的能量，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。

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

激光光源的應用領域

工業(yè)領域

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：激光焊接能夠實現(xiàn)高強度、高質量的焊接，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：激光打標可以在各種材料表面打上永久性的標記，如產(chǎn)品序列號、生產(chǎn)日期、二維碼等，廣泛應用于電子產(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、軍事等領域。

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

激光干涉測量：激光干涉測量技術可以用于測量物體的微小變形、振動等，廣泛應用于航空航天、機械制造、光學儀器等領域。

激光掃描：激光掃描技術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、文物保護等領域。

醫(yī)療領域

治療

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

激光治療腫瘤：激光治療腫瘤可以通過激光的熱效應、光化學效應等殺死腫瘤細胞，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、激光祛斑手術、激光脫毛手術等。

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。

激光內鏡：激光內鏡是一種將激光技術與內鏡技術相結合的醫(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、組織等微觀結構。

商業(yè)領域

激光顯示：激光顯示技術具有高亮度、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、打印質量好等優(yōu)點，廣泛應用于辦公、家庭等領域。

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

科研領域

激光光譜學：激光光譜學是一種利用激光作為光源的光譜學技術，可用于研究原子、分子、離子等微觀粒子的結構和性質。

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

激光化學：激光化學是一門研究激光與化學反應相互作用的學科，可用于研究化學反應機理、催化劑設計等方面。

激光生物學：激光生物學是一門研究激光與生物組織相互作用的學科，可用于研究生物分子的結構和功能、細胞的生長和分化、基因的表達和調控等方面。

信息領域

光通信：激光通信是一種利用激光作為載波的通信技術，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上記錄和讀取信息的技術，具有存儲容量大、讀寫速度快、可靠性高等優(yōu)點，廣泛應用于計算機數(shù)據(jù)存儲、音像制品存儲等領域。

激光傳感器：激光傳感器是一種利用激光技術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、航空航天等領域。

軍事領域

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、反導彈、防空等領域。

激光制導：激光制導是一種利用激光束來引導導彈、炸彈等武器命中目標的技術，具有精度高、抗干擾性強等優(yōu)點，廣泛應用于軍事領域。

激光偵察：激光偵察是一種利用激光技術進行偵察的技術，如激光雷達、激光測距儀等，可用于獲取敵方目標的位置、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備的技術，如激光干擾機、激光眩目器等，可用于破壞敵方的通信、導航、瞄準等系統(tǒng)。