激光光谱学论文
光谱学是研究物质和电磁波的相互作用，从微观角度研究物质世界的一种手段，利用激光技术进行的光谱学研究称为激光光谱学。本学期的课程主要学习怎样以激光为手段、光谱学为工具研究材料性质的方法和原理。下面我将谈一谈通过这门课程的学习我对激光的特性、激光原理以及激光应用的认识与理解。
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，自1960年第一台激光器诞生以来，经过50多年的发展，激光光谱学不仅仍然是一个热门的研究领域，而且还扩展到其他许多科学、医药和技术领域，获得了引人瞩目的进展，得到了越来越多的应用。 一、激光的基本特性
激光主要有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。 亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它比拟。激光亮度极高的主要原因是定向发光，大量光子集中在一个极小的空间范围出，能量密度自然极高。但是，激光的总能量并不一定很大，由于激光能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。
高方向性——普通光源向四面八方发光，要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。而激光的发光方向可以在在小于几毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。
高单色性——普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。而某种激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。由于激光的单色性好，为精密仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。
高相干性——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。激光的这一特性使全息照相成为现实。
激光的以上四个特性使激光技术开始快速应用与科技、军事和社会发展的许多领域，激光技术彰显出其强大的生命力。 二、激光原理
光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。微观粒子都具有特定的一套能级，通常这些能级是分立的。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h（h为普朗克常量）。
爱因斯坦1917提出受激辐射，激光器却在1960年问世，相隔43年，主要是由于普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。激光要实现的是光子受激放大辐射。首先原子要产生光子，而且是从高能级向低能级跃迁，同时把变化的能量以光子的形式释放出来，这是激光形成的基础。然后，要对光子数密度进行不断放大，很快将极强的激光震荡而输出。但是，在一般情况下，自发辐射的几率远远大于受激辐射几率，而且通过提高温度
的办法使得受激辐射超过自发辐射是不可能的，这就需要能够容易产生光子的激光工作物质，同时需要在热平衡条件下对工作物质增加一个激励系统，打破热平衡状态下的玻尔兹曼分布，形成反转粒子数分布，使得工作物质对光子的吸收为主变为对光子的放大超过吸收。为了实现放大辐射，就要提高光子简并度，因为工作物质不可能做得太长，但是可以增加通过工作物质的次数使得光子数密度增大，这就需要有谐振腔，由两面发射镜组成的反馈光学系统。同时，为了提高同一状态内的光子数，必须大大减少谐振腔内的模式密度，这就需要将谐振腔做成开放式谐振腔，使得偏离光轴方向传播的光波模式损失掉，只保留少数沿光轴方向传播的模式。
综上，激光的产生过程是：激光工作物质在泵浦源的激励下被激活，即介质处于粒子数反转状态，在粒子数反转分布的两能级2E和1E之间，由自发辐射过程产生很微弱的特定频率的光辐射。在自发辐射光子的感应下，在上下能级2E和1E之间产生受激辐射。这种受激辐射光子与自发辐射光子的性质（频率、相位、偏振、传播方向）完全相同，很快由这些光辐射在介质中产生连锁反应，由于谐振腔的作用，这些光子在腔内多次往返经过介质，产生更多的同类光子密度，因此就可能使某类光子的受激辐射成为介质中占绝对优势的一种辐射，从而从谐振腔的部分透射镜端输出光能，这就是激光。
因此，各种激光器的基本组成部分有：（1）工作物质，实现粒子数反转并产生激光的物质体系，是激光器的心脏；（2）激励系统，激光系统能源的供应者，并以一定方式促成激光工作物质处于粒子束反转状态；（3）光学谐振腔：提供光学反馈条件，并对于激光器的振荡波形进行选择和限
制。
三、激光的应用
激光所具有的一系列不同寻常的特性, 使其在很多领域得到广泛应用, 近年来应用领域不断得到拓展。在实际应用中往往不是同时对几个特性都有很高的要求, 而是突出其中某些特性。
激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至X射线和γ射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。
世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。
由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了性的突破。今后，随着人类对激光技术的进一步研究和发展，激光器的性能将进一步提升，成本将进一步降低，但是它的应用范围却还将继续扩大，并将发挥出越来越巨大的作用。
激光的应用，按照激光探头是否与激光作用的物质接触，分为接触式和非接触式两种工作模式。激光应用的领域，主要有工业、医疗、商业、科研、信息和军事六个领域。比如，人们利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工，能够做到在一个针头上钻200个孔；激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在医疗、农业的实际应用上取得了良好效果；在通信领域，一条用激光柱传送信号的光导电缆，可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量；激光在军事上由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了性的突破。下面主要从激光在工业、医疗和信息三个方面来简单介绍一下激光技术的应用：
工业应用中，主要有材料加工和测量控制。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术。它的应用范围一般可分为激光加工系统和激光加工工艺。激光加工系统包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。激光加工工艺包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。
激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后者则以激光作为能量载体。多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。当前
激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面：光动力疗法治癌；激光治疗心血管疾病；准分子激光角膜成形术；激光美容术；激光纤维内窥镜手术;激光腹腔镜手术;激光胸腔镜手术；激光关节镜手术；激光碎石术；激光外科手术；激光在吻合术上的应用；激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用；弱激光疗法等。
激光技术在信息领域的应用主要为激光通信方面。激光是频率单一的电磁波，频率高达几亿兆赫，用它作载波传送话音信号时，由于每路电话所占的频带宽度为4000赫兹，故可容纳上百亿路电话同时通话；若用它传送电视节目，由于每套电视节目所占用的频带宽度为10兆赫，故可同时播送1000万套电视节目而互不干扰。按激光光波传输途经的不同，激光通信有大气激光通信与水下激光通信两种方式。大气激光通信与微波通信相比，具有保密性强，抗电磁干扰等优点。而水下潜艇过去一直使用超长波通信，电波穿透海水的能力只有几十米，又极不安全，这一向是个难题。而激光能穿透几千米的海水。1981年5月，美国在圣地亚哥海域上空，用一架飞行在13000米高度的飞机，采用波长为0.530微米的激光束发出信息，穿透大气层和海水，与一艘巡航在300米深度的导弹核潜艇进行了成功的通信试验。这种蓝绿激光的对潜通信，今后还可从地面、舰艇上发射激光，经由卫星上的反射镜反射到水下。 随着卫星、空间平台、航空平台搭载的有效载荷逐渐向高分辨率、款覆盖方向发展，对海量数据实时传输的要求越来越迫切，而当前的射频通信的速率已接近理论极限，不能满足传输速率的要求，因而阻碍了现代信息化的发展。而空间激光通信技术恰恰能在通信速率和通信带宽上有效地克服射频通信的技术瓶颈，所以，今年来运用
激光技术的空间激光通信传输速率越来越高。经过近二十年的发展，空间激光通信系统的诸多关键技术已经得到了突破，不断提高了现代信息化的需求。
在未来的发展过程中，激光在科学发展和技术应用方面都还有巨大的机遇、挑战和创新的空间。这就需要我们在激光科学和技术应用领域继续努力，使激光为人类的文明进步做出更大贡献。