淺談激光原理及其實際應用

趙一霈

（河南大學 河南 開封 475000）

1 激光產生的條件

1.1 粒子數反轉

當激光工作物質處于溫度為T的熱平衡狀態時，遵從玻爾茲曼分布，即上下能級之間粒子數的正常分布，但是只有在能夠實現粒子數反轉分布的兩個能級之間才有可能產生激光輻射，也就是通過泵浦抽運，外界向激光工作物質提供能量使得高能級上的粒子數分布多于低能級上的粒子數分布。

1.2 閾值條件

當位于諧振腔內的激光工作物質的某對能級之間發生粒子數反轉分布時，頻率處于這對能級之間自發輻射譜線寬度內的微弱光信號在該介質中傳輸時，獲得增益而被放大，由于在介質中除了由于粒子數反轉而使受激輻射的光子放大的因素外，還有一些由于反射鏡的透射和吸收，介質材料不勻性等造成的損耗，又會使光信號不斷衰減，所以必須使粒子數反轉到一定程度后才能形成激光，也就是只有當光在諧振腔內來回一次所得到的增益大于損耗時，才能形成激光。激光振蕩閾值是腔內輻射由自發輻射向受激輻射轉變的轉折點。

2 激光的實際應用

2.1 測量工作

激光可以被應用在測量工作當中。與傳統測量方法相比，激光具有突出的測量優勢：一方面，激光的高度比較高；另一方面，激光的精確性比較強。以激光作為測距儀的光源，可以使測距量程大大提高，減少了測量環境限制的影響。由于激光具有良好的單色性和方向性，在一定程度上不僅提高了測量距離的準確度，還縮小了光學系統的孔徑，縮小了測量儀器的體積和質量。其基本原理是利用光在待測距離的往返時間算出距離。激光測距的方法也多種多樣，例如按照不同檢測時間的方法可分為脈沖激光測距和相位測距。以宇航工作為例，工作人員在地面發射激光，宇航人員在月球反射激光，能夠精準計算出月球到地球的距離[2]。將網絡信息技術與激光技術融合在一起，可以構建三維立體測量圖，加快信息數據的傳遞速度。就目前來看，激光測量設備已經被廣泛應用在工程領域、地質勘探領域、大氣監測領域等等，收獲了事半功倍的實用效果。

2.2 激光通信

激光通信和無線電通信在原理、結構及通信過程方面都是類似的，所不同的是采用了一些光學器件，不用無線電波，而是用激光作為傳遞信息的工具。激光通信系統包括三個主要部分，即信號發送部分、信號傳輸部分，信號接收部分。激光通信中，首先將傳遞的信息，例如文字、語言、圖像等轉變為電信號，再把這個電信號加載到由激光器產生的載波上，其中的調制過程由激光調制器完成，然后激光載著被傳遞的信號向接收點傳播，在接收部分，即把被調制的光信號轉換成電信號。接收系統由接收天線，光檢測器，信號變換器等完成。為增加接收靈敏度，有時采用光放大、外差接收等技術。

2.3 機械工業

激光在機械工業中的應用主要是對材料進行加工處理，例如切割、鉆孔、焊接、淬火等。在這里，激光主要是作為一個很強的熱源來使用，例如激光打孔的原理是利用聚焦的激光束使材料表面焦點區域的溫度迅速上升，溫度上升的速度非常快，這樣，在熱量尚未發散之前就可以將焦點區域燒熔，直至汽化，形成小孔，完全不受加工材料硬度和脆性的限制，并且打孔的速度也非常快，由于激光打孔是非接觸的，可以防止加工過程中加工部件的玷污，也可以在某些特殊環境中加工。

在機械工業領域，也可利用激光進行打標。激光打標有幾點突出優勢。其一，激光打標適用范圍比較廣泛，在皮革、紙張、玻璃、陶瓷、塑料等品種上都可進行。其二，激光打標自動化程度高，有著無污染、運轉成本低特點。以機械工業生產中塑料三極管打標為例，若采取激光打標方法，其作業速度將保持在10個/秒的狀態，打標成本是0.00048元/個，與移印機相比，運轉成本低，打標質量更好。此外，激光打標作業方法加工功率高。因為，在實際生產作業中，激光光束移動速度可達到5～7米/秒。如此，可滿足高速流水線生產需求，在一定程度上縮短機械加工所耗時間。另外，與傳統打標方法相比，激光打標方法精度較高，可將其線寬控制到0.05mm。以二維碼打印為例，若利用激光打標法替代壓印打標法，不僅能夠提高二維碼清晰度，也可增加防偽功能。同時，由于激光打標法屬于非觸摸式打標法。所以，整個操作過程不會產生化學污染現象，可提高機械工業領域打標作業市場競爭力。

在機械工業領域，可利用激光原理進行激光切開操作。激光切開，不會增加工件的外力，造成工件裂縫和變形現象。同時，激光切開，作為一種無觸摸式切開方式，不存在刀具磨損問題，且適用于各種硬度的材料，更符合機械工業領域生產需求。在機械工業實際生產作業中，應嘗試利用激光切開法代替其他辦法，提高切開操作靈敏度、適應性和可控性。

2.4 軍事科技

激光可以被應用在軍事科技中。自上個世紀六十年代開始，發達國家就將激光技術應用在軍事戰爭中，取得了較好的實用效果。激光能量驚人，破壞力非常大，可以在短時間內對敵人造成巨大沖擊。從某個角度來看，激光技術改變了軍事發展的方向。例如激光雷達，雷達又叫無線定位儀，用于目標的跟蹤和定位，在軍事、航天、航空等多種技術領域有著重要的應用，隨著激光技術的發展，人們將無線電波段向短波段和紅外擴展，并發展了光學定位系統。激光雷達是一種通過探測距離目標的散射光特性來獲取目標的相關信息的光學遙感技術，以激光束取代無線電波，用振幅、相位、頻率和偏振來搭載信息，在重復測距的同時，以細激光束對空間掃描，把從探測方向返回來的反射光強加以變化，不僅能夠精準測距，而且能夠精準測速、精確跟蹤，具有角分辨率高、距離分辨率高、速度分辨率高、測速范圍廣、抗干擾能力強等一系列優點。值得注意的是，激光武器對人的傷害作用較大，嚴重的甚至會導致死亡。因此，激光武器并不提倡，各國在使用激光武器之前應該做到三思而后行。

2.5 激光雕琢

在科學技術水平不斷提高背景下，激光原理也被廣泛應用到了雕琢工作中。而激光原理在非金屬資料上進行雕琢的形式可分為兩種。其一，點陣雕琢法。在點陣雕琢法雕琢過程中需要通過操控激光頭左右搖擺雕琢出一條線，這個線是由一系列點組成的。在雕琢完一條線之后，應上移或者下移激光頭雕琢其他線，直至完成整個圖案的雕琢。以矢量化圖文、文字為例，都可采用點陣雕琢法完成具體的雕琢工作。其二，矢量切開。矢量切開作為雕琢方法之一，它主要是利用雕琢機在圖文外輪廓線進行雕琢，整個雕琢過程需要設置相應的雕琢強度、雕琢速度等指標。同時，在指定激光強度下，雕琢速度與切開深度之間保持著反比例關系。因而，操作人員應根據金屬板、有機玻璃、雙色板、氧化鋁等材料雕琢要求調控各項指標，達到最佳的雕琢效果。此外，在對雕琢速度進行調整時，可利用雕琢機面板將雕琢速度控制在最佳狀態，并使用2.0英寸透鏡，讓激光雕琢質量變得更加細膩。

3 結語

綜上所述，經濟社會不斷發展，科學技術水平不斷提升，激光技術的重要價值越來越突出。為了發揮激光技術的實用價值，必須掌握激光的基本原理，對激光生成原因進行分析，擴展激光技術的范圍。