激光看得见吗？
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激光发电
如果原子或分子等微观粒子有一个高能级E2和一个低能级E1，E2和E1的粒子数密度为N2和N1，则有三个过程:自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁。受激发射跃迁产生的受激发射光与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。所以同一相干辐射场激发的大量粒子的受激发射是相干的。受激发射跃迁和受激发射吸收跃迁的几率都与入射辐射场的单色能量密度成正比。当两个能级的统计权重相等时，两个过程的概率相等。在热平衡的情况下，N2 < N1，所以受激吸收跃迁占优势，光通过物质时通常会由于受激吸收而衰减。外界能量的激发可以破坏热平衡，使N2 > N1，称为粒子数反转态。在这种情况下，受激发射跃迁占主导地位。光通过长度为L的激光工作物质(活性物质)后，光强增加eGl倍。g是与(N2-N1)成正比的系数，称为增益系数，其大小也与激光工质的性质和光波频率有关。一种活性物质是激光放大器。
如果将一种被激活的物质放在由两个平行反射镜(至少有一个是部分透射的)组成的光学谐振腔中(图1)，高能级的粒子会自发向各个方向发射。其中，非轴向光波快速逸出谐振腔；轴向光波可以在腔内来回传播，并且当它在激光材料中传播时，强度增加。如果谐振腔内的单向小信号增益G0l大于单向损耗δ(G0l为小信号增益系数)，则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级。当原子从高能级跃迁到低能级时，会释放出相应能量的光子(所谓自发辐射)。同样，当一个光子入射到一个能级系统上并被其吸收时，会导致原子从低能级跃迁到高能级(所谓受激吸收)；然后，一些跳到高能级的原子会跳到低能级，释放光子(所谓的受激辐射)。这些运动不是孤立的，而是经常同时进行的。当我们创造一个条件，比如使用合适的介质，* * *腔和足够的外电场，受激辐射会被放大到大于受激吸收，那么一般情况下，光子会被发射出来，从而产生激光。
激光的特性
(1)定向发光
普通光源向各个方向发光。为了使发出的光向一个方向传播，需要在光源上安装一定的聚光装置。比如汽车的大灯、探照灯等都装有具有聚光功能的反光器，使辐射出来的光线能够被收集并向一个方向发射。激光器发出的激光自然是一个方向发射的，光束的发散度极小，只有0.001弧度左右，接近平行。1962年，人类第一次用激光照射月球。地球和月球之间的距离约为38万公里，但月球表面的激光光斑不到两公里。聚光效果好的话，看似平行的探照灯光束会对准月球，按照其光斑直径覆盖整个月球。
(2)非常高的亮度
在激光发明之前，人工光源中高压脉冲氙灯亮度最高，与太阳亮度相当，而红宝石激光器的激光亮度可超过氙灯的数百亿倍。因为激光的亮度极高，可以照亮远处的物体。红宝石激光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯(照度单位)，颜色为鲜红色，激光光斑明显可见。如果用最强的探照灯照射月球，产生的照度只有万亿分之一勒克斯左右，人眼根本无法察觉。激光亮度高的主要原因是定向发光。在极小的空间内发射大量光子，能量密度自然极高。
(3)颜色极其纯净
光的颜色是由光的波长(或频率)决定的。某个波长对应某个颜色。太阳光的波长分布范围大约是0.76微米到0.4微米，对应的颜色从红色到紫色***7种颜色，所以太阳光不是单色的。发出单一颜色光的光源称为单色光源，它发出的光波具有单一波长。比如氪灯、氦气灯、氖灯、氢气灯等。都是单色光源，只发出某种颜色的光。单色光源虽然波长单一，但还是有一定的分布范围。比如氪灯只发出红光，号称单色性最高，波长分布范围还是0.0001 nm，所以氪灯发出的红光如果仔细鉴别还是含有几十种红色。可以看出，光辐射的波长分布范围越窄，单色性越好。
激光器输出的光波长分布范围很窄，所以颜色极其纯净。以输出红光的He-Ne激光器为例，其波长分布范围可窄至2×10-9 nm，是氪灯发出红光波长分布范围的万分之二。可见激光的单色性远远超过任何单色光源。
此外，激光还有其他特点:相干性好。激光的频率、振动方向和相位高度一致，这样当激光光波在空间重叠时，重叠区域的光强分布就会出现强弱交替的稳定现象。这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。普通光源发出的光，因为频率、振动方向、相位不一致，所以称为非相干光。
闪光时间可以非常短。由于技术原因，普通光源的闪光时间不可能很短，摄影用闪光灯的闪光时间在千分之一秒左右。脉冲激光的闪光时间很短，达到6飞秒(1飞秒=10-15秒)。闪光时间极短的光源在生产、科研和军事上有着重要的用途。
受激光辐射
什么是“受激辐射”？它是基于大科学家爱因斯坦在1916年提出的一个全新的理论。这个理论意味着在组成物质的原子中，有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上。当高能级的粒子被一个光子激发后，会从高能级跃迁(jump)到低能级。这时，它们会放射出与激发它们的光具有相同性质的光，并且在某种状态下，微弱的光也能激发出强光。这被称为“受激辐射的光学放大”，简称激光。激光有四个主要特点:高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
目前，激光已广泛应用于激光焊接、激光切割、激光打孔(包括斜孔、不规则孔、石膏孔、水松纸孔、钢板孔、包装印刷孔等)。)、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃雕刻、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光电路修复、激光布线技术、激光清洗等。
经过30多年的发展，现在激光几乎无处不在。已经应用于生活和科研的方方面面:激光针灸、激光切割、激光焊接、激光淬火、CD、激光测距仪、激光陀螺仪、激光矫直机、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮等。在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用。
激光武器是一种定向能武器，利用定向激光束直接破坏或瘫痪目标。根据作战目的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器。武器系统主要由激光器、跟踪、瞄准和发射装置组成。目前常用的激光器有化学激光器、固体激光器和CO2激光器。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、打击准确、无电磁干扰等优点，但也有易受天气和环境影响的缺点。激光武器已有30多年的历史，其关键技术也取得了突破。美国、俄罗斯、法国、以色列等国家已经成功地进行了各种激光射击实验。目前低能量激光武器已经投入使用，主要用于近距离干扰和致盲光电传感器，以及攻击人眼和一些增强型观测设备；高能激光武器主要使用化学激光。按照目前的水平，预计在未来5-10年内在地面和空中平台上部署使用，用于战术防空、战区反导和反卫星作战。
激光的其他特性
激光有很多特点:第一，激光是单色的，或者说是单频的。有些激光器可以同时产生不同频率的激光，但这些激光是相互隔离，分开使用的。其次，激光是相干光。相干光的特点是它的所有光波都是同步的，整束光就像一个“波列”。第三，激光是高度集中的，也就是说，它需要很长的距离来分散或会聚。
激光是20世纪60年代发明的一种光源。激光是英文“受激发射光放大”的缩写。激光有很多种，大小从几个足球场到一粒米或盐。气体激光器包括氦氖激光器和氩激光器；固态激光器包括红宝石激光器；半导体激光器有激光二极管，如CD播放机、DVD播放机和CD-r om中的激光二极管。每种激光器都有自己独特的产生激光的方法。
激光技术的应用
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，以切割、焊接、表面处理、打孔、微加工材料、识别物体为光源的技术。最传统的应用领域是激光加工技术。激光技术是一门涉及光、机、电、材料、检测等多学科的综合性技术。传统上，其研究范围一般可分为:
激光加工系统。包括激光器、光导系统、加工机床、控制系统和检测系统。
2.激光加工技术。包括切割、焊接、表面处理、钻孔、划线、标记、微调等加工技术。
激光焊接:汽车车身厚板、汽车零部件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件，以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。
激光切割:汽车行业、电脑、电气柜、木工刀具模具行业各种金属零件及特殊材料的切割，圆锯片、亚克力、弹簧垫圈、2mm以下电子零件的铜板、部分金属网板、钢管、镀锡铁板、镀铅钢板、磷青铜、胶木板、薄铝合金、应时玻璃、硅橡胶、氧化铝陶瓷板1mm以下。使用的激光器是YAG激光器和CO2激光器。
激光打标:广泛应用于各种材料和几乎所有行业。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。
激光打孔:激光打孔主要应用于航空航天、汽车制造、电子仪器、化工等行业。激光打孔的快速发展主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率从五年前的400w提高到800w，达到1000w，目前国内激光打孔比较成熟的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产和钟表仪器的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷电路板等行业的生产。目前使用的激光器大部分是YAG激光器和CO2激光器，但也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。
激光热处理:广泛应用于汽车行业，如气缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零件的热处理，以及航空航天、机床工业等机械行业。激光热处理在我国的应用远比国外广泛。目前使用的激光器多为YAG激光器和CO2激光器。
激光快速成型:是将激光加工技术与计算机数控技术、柔性制造技术相结合而形成的。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多为YAG激光器和CO2激光器。
激光镀膜:广泛应用于航空航天、模具、机电行业。目前使用的激光器多为大功率YAG激光器和CO2激光器。
美国德克萨斯大学的科学家开发出了世界上最强大的操作激光器。这台激光器每万亿分之一秒产生的能量是美国所有发电厂的2000倍，输出功率超过1皮瓦——相当于10的15瓦。这台激光最早是1996开始的。马丁内斯表示，他希望自己的项目能在2008年打破这一纪录，即让激光功率达到1.3皮瓦到1.5皮瓦之间。超级激光项目的负责人McAll Martinez说:“我们可以让材料进入一种极端状态，这种状态在地球上是看不见的。我们打算在德州观测的现象相当于进入太空观测一颗爆炸的恒星。”
激光在医学中的应用
应用于牙科的激光系统
根据激光在牙科应用中的不同功能，可以分为几种不同的激光系统。区分激光的一个重要特征是:光的波长对组织的作用不同。可见光和近红外光谱的光吸收率低，穿透性强，能穿透牙齿组织的深部，如氩离子激光、二极管激光或Nd: YAG激光(如图1)。而Er: YAG激光和CO激光的光穿透性较差，只能穿透牙齿组织约0.01mm。区别激光的第二个重要特征是激光的强度(即功率)，比如诊断用的二极管激光，只有几毫瓦，有时也可以用于激光显示。
用于治疗的激光通常是几瓦的中等强度激光。激光对组织的作用还取决于激光脉冲发射的方式。典型的连续脉冲发射方法是氩离子激光、二极管激光、CO2激光和激光。有Er: YAG激光器或许多Nd: YAG激光器以短脉冲方式发射。短脉冲激光的强度(即功率)可以达到1，000瓦以上。这些高强度、高光吸收的激光只适合去除硬组织。
激光在龋齿诊断中的应用
1.脱矿和浅龋
2.隐性龋齿
激光在治疗中的应用
1.切割
2.填料聚合和凹坑处理
激光美容手术
(1)激光在美容行业的应用越来越广泛。激光通过产生能量高、聚焦准确、具有一定穿透力的单色光，作用于人体组织局部产生高热，从而切除或破坏目标组织。不同波长的脉冲激光可以治疗各种血管性皮肤病和色素沉着，如太田痣、鲜红斑痣、雀斑、老年斑、毛细血管扩张、去纹身、洗眼线、洗眉、疤痕治疗等。近年来，一些新型激光仪器，如高能超脉冲CO2激光、铒激光等，在除皱、脱皮换肤、打鼾治疗、牙齿美白等方面取得了良好的效果，为激光外科开辟了越来越广阔的领域。
(2)激光手术具有传统手术无法比拟的优势。首先，激光手术不需要住院，切口小，术中不出血，创伤轻，不留疤痕。比如传统的手术方法治疗眼袋，存在剥离范围广、术中出血多、术后愈合慢、易结疤等缺点。而应用高能超脉冲CO2激光治疗眼袋，具有术中不出血、无需缝合、不影响正常工作、手术部位水肿轻、恢复快、不留疤痕等优点，是传统手术无法比拟的。一些因出血过多而无法进行的内镜手术，可以用激光切割代替完成。(注:有一定的适应范围)
(3)激光在治疗血管性皮肤病和色素沉着方面取得了显著的效果。用脉冲染料激光治疗鲜红斑痣疗效显著，对周围组织损伤小，几乎不留疤痕。它的出现成为鲜红斑痣治疗史上的一次革命，因为鲜红斑痣治疗史上，放射、冷冻、电灼、手术等方法疤痕发生率高，常出现色素脱失或沉积。血管性皮肤病的激光治疗是含氧血红蛋白对一定波长激光的选择性吸收，导致血管组织的高度破坏。具有较高的准确性和安全性，不会影响周围的邻近组织。所以激光治疗毛细血管扩张也是有效的。
此外，由于可变脉冲激光的出现，去除不理想的纹身以及治疗太田痣、老年斑等各种色素性皮肤病取得了重大突破。根据选择性光热效应理论(即不同波长的激光可选择性作用于不同颜色的皮损)，这种激光利用其强大的瞬时功率、高度集中的辐射能和色素选择性、极短的脉宽，将激光能量集中于色素颗粒上，直接汽化、粉碎，通过淋巴组织排出体外，不影响周围正常组织，因其疗效确切、安全可靠、不留疤痕、痛苦小而深入人心。
(4)激光外科开创了医疗美容的新时代。高能超脉冲CO2激光脱皮换肤开辟了美容外科的新技术。它采用高能、超短脉冲激光，瞬间汽化老化受损的皮肤组织，不伤害周围组织，治疗过程中几乎不出血，并能精确控制作用深度。其效果得到了国际医学整形美容界的充分肯定，被誉为“开创医学美容新时代”；此外，还有高能超脉冲CO2激光仪，治疗眼袋、打鼾，甚至激光美白牙齿。以其安全准确的疗效，简单快捷的治疗，在医美领域创造了一个又一个奇迹。激光美容让医学美容向前迈进了一大步，赋予了医学美容更新的内涵。
激光冷却
激光冷却是利用激光与原子之间的相互作用来减缓原子的运动，从而获得超低温原子。早期这项重要技术的主要目的是精确测量各种原子参数，用于高分辨率激光光谱和超高精度量子频标(原子钟)，但后来成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法。虽然早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力，但直到激光发明后，才发展出利用光压改变原子速度的技术。发现当原子在一对频率略低于原子跃迁能级差、传播方向相反的激光束中运动时，由于多普勒效应，原子倾向于吸收与原子方向相反的光子，但吸收同方向传播的光子的概率较小；被吸收的光子将自发地各向同性辐射。平均来说，两束激光的净效应是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力，从而减缓原子的运动(即降温)。1985年，美国国家标准与技术研究所的菲利普斯和斯坦福大学的朱棣文首先实现了激光冷却原子的实验，获得了极低温(24μK)的钠气体。他们进一步利用一束三维激光束形成磁光理论，将原子囚禁在空间的一个小区域并冷却，获得了温度更低的“光学粘胶”。从那以后，出现了许多新的激光冷却方法。其中最著名的是“速度选择相干布居限制”和“拉曼冷却”。前者是巴黎师范学院的克劳德·科恩-坦诺吉提出的，后者是朱·提出的。他们利用这项技术分别获得了低于光子反冲极限的极低温度。此后，人们发展了一系列磁场和激光相结合的冷却技术，包括偏振梯度冷却、磁感应冷却等。朱、科恩·达诺基和菲利普斯也获得了1997诺贝尔物理学奖。激光冷却有很多应用，如原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊、玻色-爱因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱、光与物质相互作用的基础研究等。
激光光谱
激光光谱是一种以激光为光源的光谱技术。与普通光源相比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强、相干性强等特点，是研究光与物质相互作用的理想光源，从而识别物质及其系统的结构、成分、状态和变化。激光的出现大大提高了原有光谱技术的灵敏度和分辨率。由于获得了极高强度和极窄脉宽的激光，使得观察分子受激发后的多光子过程、非线性光化学过程和弛豫过程成为可能，并分别发展成为新的光谱技术。激光光谱学已经成为与物理、化学、生物和材料科学密切相关的研究领域。
激光传感器
激光传感器是一种利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光探测器和测量电路组成。激光传感器是一种新型的测量仪器，具有非接触式远距离测量、速度快、精度高、测量范围大、抗光电干扰能力强等优点。
激光雷达
激光雷达是指利用激光作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术和雷达技术的结合。它由发射机、天线、接收机、跟踪架和信息处理组成。发射器是各种类型的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器和波长可调的固态激光器。天线是光学望远镜；接收器采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多探测器器件等。激光雷达工作在两种模式下:脉冲或连续波。检测方法分为直接检测和外差检测。
激光束武器
激光武器是一种定向能武器，利用定向激光束直接破坏或瘫痪目标。根据作战目的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器。武器系统主要由激光器、跟踪、瞄准和发射装置组成。目前常用的激光器有化学激光器、固体激光器和CO2激光器。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、打击准确、无电磁干扰等优点，但也有易受天气和环境影响的缺点。激光武器已有30多年的历史，其关键技术也取得了突破。美国、俄罗斯、法国、以色列等国家已经成功地进行了各种激光射击实验。目前低能量激光武器已经投入使用，主要用于近距离干扰和致盲光电传感器，以及攻击人眼和一些增强型观测设备；高能激光武器主要使用化学激光。按照目前的水平，预计在未来5-10年内在地面和空中平台上部署使用，用于战术防空、战区反导和反卫星作战。