激光光源的工作原理，特点及应用领域

激光光源在工业、医疗、科研，军事等领域有非常重要的作用，激光光源具有非常多的优点，比如单色性好，方向性强，亮度高等等。松盛光电来给大家介绍激光光源的工作原理，特点，以及应用领域，一起来了解一下吧。

工作原理

粒子能级跃迁：激光光源中的工作物质通常是一些具有特殊能级结构的原子、分子或离子。在正常情况下，这些粒子处于低能级状态。当受到外界能量的激励，如通过光泵浦、电流注入或化学反应等方式，粒子吸收能量后跃迁到高能级的激发态。

粒子数反转：在泵浦激励源的持续作用下，使得高能级激发态上的粒子数多于低能级激发态上的粒子数，这种状态被称为粒子数反转。它是产生激光的关键条件之一，只有实现了粒子数反转，才有可能产生受激辐射。

受激辐射：处于粒子数反转状态的工作物质中，当有一个能量等于高能级与低能级之差的光子入射时，会引发处于高能级的粒子以一定概率跃迁到低能级，并释放出一个与入射光子具有相同频率、相同方向、相同相位和相同偏振态的光子，这个过程就是受激辐射。新产生的光子又会去激发其他处于高能级的粒子，产生更多相同的光子，从而实现光的放大。

光学谐振腔：为了使受激辐射能够持续进行并形成强大的激光束输出，需要一个光学谐振腔。光学谐振腔通常由两个相对放置的反射镜组成，其中一个反射镜具有较高的反射率，另一个反射镜则具有部分透过率。工作物质位于谐振腔中，受激辐射产生的光子在谐振腔内来回反射，不断地与工作物质相互作用，使得光信号得到进一步放大。在这个过程中，只有那些沿着谐振腔轴线方向传播的光子才能在腔内多次往返并得到有效放大，而其他方向的光子则会很快逸出谐振腔。当腔内的光强达到一定程度时，部分透过率的反射镜会允许一部分光输出，形成激光束。

特点

单色性好：激光的颜色很纯，其单色性比普通光源的光高 10 倍以上。例如，氦氖激光器输出的红光，其波长分布范围可以窄到 2×10-9 纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。这使得激光在一些对单色性要求较高的领域，如光通信、光谱分析、激光干涉测量等方面具有重要应用。

方向性强：激光束的发散立体角很小，为毫弧度量级，比普通光或微波的发散角小 2-3 数量级。例如，激光射到 38 万公里的月球上，其光斑直径还不到 2 公里。这一特性使得激光可以在长距离传输中保持较高的能量密度，并且能够精确地聚焦到很小的区域，可用于激光加工、激光测距、激光制导等领域。

亮度高：激光焦点处的辐射亮度比普通光高 10-100 倍。由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。例如，红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为 0.02 勒克斯，而若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯。高亮度使得激光能够用于一些需要高能量密度的应用，如激光切割、激光焊接、激光打孔等，也可以用于军事领域的激光武器等。

相干性好：相干性是所有波的共性，但激光是受激辐射光，具有极强的相干性，所以称为相干光。普通光是自发辐射光，其光子的相位是随机的，不会产生干涉现象。而激光的光子在频率、相位、偏振态等方面都具有高度的一致性，因此可以产生明显的干涉和衍射现象。这一特性在激光干涉测量、全息成像、光通信等领域有着广泛的应用。

能量密度高：激光可以在很短的时间内释放出巨大的能量，形成强烈的冲击力。这使得激光可以用于切割、焊接、打孔等加工，也可以用于军事攻击和防御。

可调谐性：一些激光光源可以通过改变工作物质的参数或外部激励条件来实现波长的调谐，从而满足不同应用对波长的需求。例如，染料激光器可以通过选择不同的染料和调整泵浦光的波长来实现较宽范围的波长调谐。

激光光源的应用领域

工业领域

材料加工

切割：激光切割具有精度高、切口窄、热影响区小等优点，可用于切割各种金属和非金属材料，如汽车行业的车身板材切割、航空航天领域的钛合金切割、电子行业的电路板切割等。

焊接：激光焊接能够实现高强度、高质量的焊接，可用于汽车车身的焊接、锂电池的封装焊接、电子元件的焊接等。

表面处理：激光表面处理可以提高材料表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能，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，如航空航天领域的发动机叶片打孔、电子行业的印刷电路板打孔等。

打标：激光打标可以在各种材料表面打上永久性的标记，如产品序列号、生产日期、二维码等，广泛应用于电子产品、医疗器械、汽车零部件等行业。

测量控制

激光测距：激光测距仪利用激光脉冲反射来测量物体与测量点之间的距离，具有精度高、速度快、操作简便等优点，常用于建筑、工程、军事等领域。

激光测速：激光测速仪利用激光多普勒效应来测量物体的运动速度，可用于交通测速、工业自动化等领域。

激光干涉测量：激光干涉测量技术可以用于测量物体的微小变形、振动等，广泛应用于航空航天、机械制造、光学仪器等领域。

激光扫描：激光扫描技术可以用于获取物体的三维形状信息，可用于逆向工程、三维打印、文物保护等领域。

医疗领域

治疗

激光手术：激光手术具有创伤小、出血少、恢复快等优点，可用于眼科手术、皮肤科手术、耳鼻喉科手术等，如激光近视手术、激光祛斑手术、激光扁桃体切除术等。

激光治疗肿瘤：激光治疗肿瘤可以通过激光的热效应、光化学效应等杀死肿瘤细胞，可用于治疗皮肤癌、乳腺癌、肺癌等多种肿瘤。

激光美容：激光美容可以用于去除皱纹、色斑、痤疮等皮肤问题，还可以用于脱毛、嫩肤等，如激光除皱手术、激光祛斑手术、激光脱毛手术等。

激光针灸：激光针灸是一种非侵入性的针灸疗法，利用激光照射穴位来调节人体的生理功能，可用于治疗各种疾病，如疼痛、失眠、焦虑等。

诊断

激光诊断：激光诊断技术可以通过检测激光与人体组织相互作用产生的信号来诊断疾病，如激光荧光诊断、激光拉曼光谱诊断、激光多普勒血流成像等。

激光内镜：激光内镜是一种将激光技术与内镜技术相结合的医疗器械，可用于诊断和治疗胃肠道疾病、呼吸道疾病等。

激光显微镜：激光显微镜是一种利用激光作为光源的显微镜，具有高分辨率、高灵敏度等优点，可用于观察细胞、组织等微观结构。

商业领域

激光显示：激光显示技术具有高亮度、高对比度、高色域等优点，可用于大屏幕电视、投影仪、虚拟现实等领域。

激光打印：激光打印机利用激光束将墨粉吸附到纸张上，具有打印速度快、分辨率高、打印质量好等优点，广泛应用于办公、家庭等领域。

激光条码扫描：激光条码扫描器利用激光束扫描条码，将条码信息转换为数字信号，可用于超市、仓库等地方的商品管理。

激光防伪：激光防伪技术可以在产品包装、标签等表面制作出具有独特光学效果的防伪标记，如激光全息防伪标记、激光荧光防伪标记等，可用于防止假冒伪劣产品。

科研领域

激光光谱学：激光光谱学是一种利用激光作为光源的光谱学技术，可用于研究原子、分子、离子等微观粒子的结构和性质。

激光物理学：激光物理学是一门研究激光的产生、传播、与物质相互作用等方面的学科，是现代物理学的重要分支之一。

激光化学：激光化学是一门研究激光与化学反应相互作用的学科，可用于研究化学反应机理、催化剂设计等方面。

激光生物学：激光生物学是一门研究激光与生物组织相互作用的学科，可用于研究生物分子的结构和功能、细胞的生长和分化、基因的表达和调控等方面。

信息领域

光通信：激光通信是一种利用激光作为载波的通信技术，具有传输速度快、容量大、抗干扰性强等优点，是现代通信技术的重要发展方向之一。

光存储：激光存储是一种利用激光束在光盘等介质上记录和读取信息的技术，具有存储容量大、读写速度快、可靠性高等优点，广泛应用于计算机数据存储、音像制品存储等领域。

激光传感器：激光传感器是一种利用激光技术检测物理量的传感器，如激光位移传感器、激光速度传感器、激光加速度传感器等，可用于工业自动化、机器人、航空航天等领域。

军事领域

激光武器：激光武器是一种利用激光束的能量来摧毁或干扰敌方目标的武器，具有速度快、精度高、威力大等优点，可用于反卫星、反导弹、防空等领域。

激光制导：激光制导是一种利用激光束来引导导弹、炸弹等武器命中目标的技术，具有精度高、抗干扰性强等优点，广泛应用于军事领域。

激光侦察：激光侦察是一种利用激光技术进行侦察的技术，如激光雷达、激光测距仪等，可用于获取敌方目标的位置、速度、形状等信息。

激光干扰：激光干扰是一种利用激光束来干扰敌方光电设备的技术，如激光干扰机、激光眩目器等，可用于破坏敌方的通信、导航、瞄准等系统。