E2 E2 入射光hv?E2?E1 原子吸收入射光子并跃迁至高能级 E1 E1 图4 原子受激吸收
受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是不相干的；受激辐射是在外界辐射场控制下的发光过程，受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，特别是大量粒子在同一辐射场激励下产生的受激辐射处于同一光场模式或同一光子态，因而受激辐射是相干的[2]。 2.2 激光产生的基本原理和方法 2.2.1光学谐振腔及其选模和反馈作用
由受激辐射和自发辐射相干性可知，相干辐射的光子简并度很大。根据黑体辐射源的光子简并度关系式：
n?E?h?1eh?kBT ⑶
?1在室温T=300K的情况下，对于?=30cm的微波辐射，n?103；对于??60?m的远红外辐射，n?1；对于??0.6?m的可见光辐射，n?10?35。可见，普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。应用黑体辐射的普朗克公式和爱因斯坦系数的基本关系式⑴可改写为 n???B21??W21?? 38?h?A21A21c3由此式可以看出，如果能够创造这样一种情况：使得腔内某一特定模式的??很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某一特定模式内，而不是平均分配在所
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有模式中。由⑵式可知，在同一热力学温度下，频率越小（波长越长）的光，光子简并度越大，相干性越好。要是光子简并度高进而相干性越好，需要波长尽量长，温度尽量高。受激辐射和自发辐射分别产生相干和非相干光子，若能设法使某一模式的??大大增加，而其他的则大大减少，则此特定模式的光子简并度n就会大大增加。激光器就是采用各种技术措施减少腔内光场模式数、使介质的受激辐射恒大于受激吸收等来提高光子简并度，从而达到产生激光的目的。
光腔选模作用:为了减少腔内光场模式数，将一个充满物质原子（或分子）的柱体腔（黑体）去掉侧壁，只保留两个端面壁，形成开腔。如果端面壁对光的反射系数很高，则沿垂直端面的腔轴方向传播的光在腔内多次反射不逸出腔外，而所有其他方向的光则很容易逸出腔外。这相当于在腔内能够存在的光场模式只有少数几个，达到了光波模式的选择作用。
光腔的反馈作用:光放大器在许多大功率装置中广泛地用来把弱的激光束逐级放大，但在光放大的同时通常还存在着光的损耗，根据研究光强达到稳定的极限值只与放大器本身的参数有关，而与初始光强无关。特别是，不管初始光强多么弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强稳定极限值，而实际上，既不需要给激活物质输入一个弱光信号，也不需要真正把激活物质的长度无限增加，而只要在具有一定长度的光放大器两端放置前述的光学谐振腔。这样，沿轴向传播的光波模在两反射镜间往返传播，就等于增加放大器长度。这种作用称为光学谐振腔的反馈作用[2]。 2.2.2光的受激辐射放大条件
实现光放大的两个条件：⑴激励能源——把介质中的粒子不断地由低能级抽运到高能级去；⑵增益介质——能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态。
在热平衡状态，腔内物质原子数按能级分布应服从波尔兹曼分布：
n2g2??en1g1E2?E1kBT
（g为能级简并度），可知，因E2?E1，所以n2?n1，即在热平衡状态下，高能级粒子集居数恒小于低能级集居数，当频率??(E2?E1)/h 的光通过物质时，受
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激吸收光子数nW112恒大于受激辐射光子数n2W21。因此，处于热平衡状态下的物质只能吸收光子。但是，在一定的条件下物质的光吸收可以转化为光放大。这个条件就是n2?n1，称其为粒子数反转。一般来说，当物质处于热平衡状态时，粒子数反转是不可能的，只有当外界向物质提供能量，从而使物质处于非平衡状态时，才可能实现粒子数反转。实现反转的手段有：激励或泵浦或抽运，由外界能源向粒子系统输入能量，使大量粒子跃迁到高能级。处于粒子数反转状态的物质称为激活物质，一段激活物质就是一个光放大器。
光放大作用通常用增益系数G来描述，设在光传播方向上z处的光强为
I?z?，则
G(z)?dI(z)1
dzI(z)积分得
I(z)?I0eGz
这就是线性增益情况如图5所示。
I（z） 0I0 0 z 图5 增益物质的光放大
实际上光强的增加是由于高能级粒子向低能级受激跃迁的结果，或者说光放大是以单位体积内粒子反转数差值n2(z)?n1(z)的减小为代价的。而且，光强越大，n2(z)?n1(z)减少的越多，所以，n2(z)?n1(z)随I的增加而减少，增益系数也随I增加而减少，这一现象称为增益饱和效应[2]。
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2.2.3产生激光的基本条件及激光器的组成部分
产生激光的基本条件是：⑴能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态的增益介质；⑵要使受激发射光强超过受激吸收，必须实现粒子数反转
n2?n1g2）；⑶要使受?0（方法是利用外界激励能源把大量粒子激励到高能级。
g1激发射光强超过自发发射，必须提高光子简并度n（方法：利用光学谐振腔造成强辐射场，以提高腔内光场的相干性）。
激光器的组成部分及其作用：一个激光器应包含泵浦源、光放大器和光学谐振腔三部分。其作用分别是使激光物质成为激活物质、对弱光信号进行放大、模式选择和提供轴向光波模的反馈。
3. 激光技术的应用
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。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。下面主要从激光在工业、医疗、信息和军事四个方面来简单介绍一下激光技术的应用：
3.1 激光技术在工业中的应用
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。
下面简单介绍几种激光加工工艺：
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⑴激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、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。目前，激光—等离子弧复合焊接技术正在被研究和投入使用，它具有刚性好、温度高、方向性强、电弧引燃性好、加热区窄等优点，适用于薄板对接、镀锌板搭接、钛合金、铝合金等高反射率和高热导率材料的焊接及切割、表面合金化等[3]。
⑵激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
⑶激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，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。
⑷激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。
⑸激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。
激光在测量方面的应用主要为测距和测绘：
⑴激光测距：这是利用激光的单色性和、相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。现在广泛使用的手持式和
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