激光原理论文精选(九篇)

第1篇：激光原理论文范文

关键词：激光物理；受激辐射；离子束反转

中国分类号：G633.7

20世纪中叶以后由于量子电子学的发展而出现了一个新的分支，以研究激光物理机制，探索新型激光器而形成了专门的科学，即激光物理。激光物理是20世纪量子理论、无线电电子学、微波波谱学以及固体物理学的综合产物，也是科学技术、理论与实践紧密结合的灿烂成果。激光物理的发展已经半个世纪有余，在这短短的时间里，激光物理不仅推动了近代物理的快速发展，同时也大大加快了各个学科的发展进程。

一、光量子理论的提出

光量子理论是爱因斯坦为了解释光电效应现象，受普朗克能量子理论启发而提出的。

l895年。德国实验物理学家维恩（W.Wien.1864-l928）在研究黑体辐射时，假设电磁辐射遵循麦克斯韦（J.C.Maxwell.l83l- l879）气体分子分布规律，推导出一个著名的辐射能量分布公式。但此式在频率较高、温度较低时，理论值与实验值比较符合，但在频率较低的长波区域，则理论值与实验值出现较大偏差。1900年，英国人瑞利（ Rayleig.1842-1919）在研究黑体辐射时，利用麦克斯韦的能量均分定律及电磁波辐射可能形成驻波理论提出另一个热辐射分布律，后经金斯（J.H.Jeans.l877-l946）修正成为瑞利-金斯公式，当频率较低时，瑞利一金斯公式理论值与实验结果比较符合。但当频率较高时，就与实验结果表现出很大的差异。为了解决这个问题，从1894年就把注意力转向黑体辐射的德国物理学家普朗克（M.Planck.1858-1947）在维恩与瑞利-金斯定律相应的热力学表达式之间进行内插，得到了新的辐射公式，与实验符合的很好。于是他提出一个以频率v振动的谐振子只能取v、2v、3v…这样分离的能级，他引入E=hv的能量子概念，这是谐振子能够吸收和发射的最小能量值，即谐振子的能量取不连续hv的整数倍的定值，不像经典理论所描述的连续任意的能量值。这样就圆满的解释了黑体辐射。

二、爱因斯坦受激辐射理论的提出

在普朗克的启发下，爱因斯坦在光量子概念的基础上解释了光电效应实验。所谓“光电效应”是指在光的照射下金属表面发射电子的现象。最早观察到光电效应的是德国物理学家赫兹（H.N.Hertz.1857-1894），1887年，他在进行电磁波实验时，注意到电极之间的放电，会受到光辐射影响。经过极其细致的观察和分析后，赫兹发表了题为《紫外光对放电的影响》一文，这是发现光电效应的最早记录。

爱因斯坦认为分子的分立能态的稳定分布是靠分子与辐射不断进行能量交换来维持的，即使在平衡条件下也会有分子与辐射场之间的能量交换所引起的涨落。并假定气体分子（普朗克谐振子）能态之间的跃迁是以三种基本作用进行的：（1）自发辐射，（2）受激吸收，（3）受激辐射。

自发辐射是指处于上能级的原子按一定的辐射跃迁定则向下能级跃迁并伴随着辐射出一个能量为 的光子。物质的这种发光过程是在没有任何外界作用的情况下完全自发和独立进行的。

受激吸收不是自发产生的，必须吸收外来光子才会发生，该过程的发生不仅与原子本身的性质有关，还与趋近它的光场和原子密度有关。

受激辐射是指处于上能级E2的原子，若有一频率满足 的外来光子趋近它，入射光子就能以一定得几率驱使原子从能级E2到能级E1，并释放出能量为 的光辐射，叠加到入射光场上。受激辐射产生的光子与引起这种辐射的原来光子的性质与状态完全相同，同属一个光子态，即具有相同的频率、方向和偏振态，对大量的光子而言，还可以证明他们的相位也是几乎相同的。

所以，由受激吸收与受激辐射的特点可以看出，当同样的光辐射作用在同一个原子体系时，受激吸收使原来的光辐射有所减弱，而受激辐射则使得原来的光辐射有所增强，两种过程同时存在，彼此互相竞争。当原子受激辐射过程占主导地位时，光通过原子体系后呈现放大现象。由此可见，受激辐射是产生激光的最基本过程。

三、离子束反转-产生激光的必要条件

爱因斯坦靠思维的洞察力，肯定了观测仪器尚未发现的受激辐射现象的存在。遗憾的是，对这个大胆的科学构想，并没有引起物理界的广泛注意，甚至还遭到了一些怀疑和批评。因为激光必须产生在激发的原子与辐射的相互过程中，产生的速率正比于光源中高能态的密度。然而，正常的能态分布是由玻耳兹曼分布决定的，在热平衡的条件下，处于两个能级E1和E2上的原子密度（单位体积中的原子数）N1和N2按能级分布的玻耳兹曼公式是： ，其中，T是热平衡时气体的绝对温度。所以，从上式可得，上能级的原子密度总是小于下能级的原子密度，上下能级间的能量差（E2-E1）越大，或者气体的温度越低，上能级的原子密度就越小。因此受激态E2原子在受激发射中所产生的光子未来得及辐射出去就已被大量基态E1原子吸收了，受激发射过程被同时发生的大量吸收过程完全淹没。要使受激发射压倒受激吸收，即使受激态E2能量原子密度大于基态能量E1，就必须使式子 反过来，即温度T就要取负值，实现离子束反转。

对科学结论如果没有科学的态度，一味盲目的听从、偏听偏信、不加分析、固执己见，则一切结论都将成为传统的偏见和顽固的保守主义，这对科学发展，和会进步都是有害无益的。所以，在科研工作中要始终保持冷静的头脑，相信科学、相信真理、不盲从权威和接受指导、学习别人的辩证关系，以充分发挥自己的特长。

参考文献

[1] 王较过， 郑荣平. 光量子理论的确立和发展[J]. 咸阳师范学院报，2005.

第2篇：激光原理论文范文

关键词：时空演化 旋波近似 偶极近似 麦克斯韦-布洛赫方程

激光与物质的相互作用一直是人们感兴趣的课题，在实际中有广泛的应用。自20 世纪80年代后期以来，超短光脉冲的产生及放大技术得到了迅速发展。超快、超高强 度的飞秒脉冲的出现使得量子系统(如原子、分子) 在与其的相互作用过程中，在不被 电离的条件下承受着极强的光场辐射，从而产生了许多不同于纳秒、皮秒时域的非线性光学效应，为物理、化学、生物学和材料等学科领域提供了广阔的发展前景。因此，超短脉冲激光与原子和分子的相互作用引起了人们的广泛关注。

当激光脉冲在材料中传播时，由于激光与介质的相互作用，激光脉冲的形状和传 播速度将会产生明显的改变。这种激光脉冲的改变会带来明显的物理效应，如自感应透明效应，脉冲的分裂、延迟以及峰值的放大等。在实验测量中，测量的结果反映了激光与物质相互作用后的情况。因此，为了解释实验结果，需要研究激光和介质相互作用的动力学过程。

一、超短激光脉冲概述及相关应用

超短脉冲激光技术，当前达到的水平大体如下：固体激光器直接产生的脉冲宽 度已缩小到5fs（1fs=10-15s），经压缩的最短脉冲为4fs；出现了用半导体激光器（LD） 泵浦的全固体化飞秒激光器，使飞秒激光器体积更小、工作更稳定、寿命更长、使用 更方便；开放了多种激光介质和放大介质；发展了宽调谐的飞秒激光系参量振荡（OPO） 及参量放大（OPA），扩宽了飞秒激光的波长可调谐范围，从而获得了相干可调谐的已 进入水窗范围的X射线。

目前飞秒激光技术发展趋势是：向更短的脉宽迈进。如试图获得Ti:Sapphire的3fs 的极限脉宽；寻求新的介质、机理和技术，向阿秒时域迈进；发展半导体激光器（LD） 泵浦的全固体飞秒激光器，包括飞秒光纤激光器和高功率的系统。研制端面发射飞秒 LD列阵器件，完善DFB激光器；发展桌面型十太瓦（TW）可调谐飞秒激光系统，为 在普通实验室开展强场物理及惯性约束快点火创造条件；扩展飞秒激光器的波长范围，利用各种方法，包括变换激光介质，使用多种频率变换技术，把飞秒激光的波长向软 X射线及中红外、甚至远红外方向发展，以适应多种学科的使用要求。其发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域，并开创一些全新的研究领域，如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。

二、有机分子材料的特性

众所周知，有机分子材料具有丰富的光电性质。由于有机非线性光学材料具有宽的响应波段、良好的柔韧性、高的光损伤阈值和较低成本，以及易于合成、可以进行 裁剪和修饰等特点，从而成为目前实验和理论工作者非常关注的非线性光学材料。已有的研究工作表明，有机聚合物材料具有较强的非线性光学特性,特别是强的双光子吸收特性。在实验工作中,人们通过测量入射激光能量与透射激光能量的关系，来展现分 子材料的光限幅特性，从而来表征分子的双光子吸收性能，寻找具有好的光限幅性能 的分子材料。在目前的理论工作中，主要是在第一性原理的基础上计算分子的双光子吸收截面，从而表征分子的非线性光学性质，但数值模拟光限幅性能的理论研究较少。

传统的固态非线性光学材料主要是以KDP 和LN 等为代表的氧化物和铁电晶体，它们的光学非线性源于材料的电子特性，而已被广泛关注的第三类材料有机聚合物材料的光学非线性则主要与其分子的结构性质有关。与无机非线性材料相比，有机非线性材料最突出的优点是人们能在分子的水平上对其进行结构设计，从而获得最佳的光学非线性响应和其他特定的光电性质，它们已经成为人们重点研究的对象。

三、研究脉冲激光传播的基本方法

目前无论从理论还是实验方面，人们都开展了大量的超短脉冲激光与原子和分子相互作用的研究工作。 在实验方面,人们利用超快激光来研究有机分子和生物分子等 量子体系中的各种超快过程以及测量分子的内禀属性，如分子的双光子吸收截面等。在理论方面，人们建立理论模型研究了超短脉冲在介质中的传播过程，得到了一些新 的脉冲传播性质，为超短脉冲激光技术的发展和实验结果的解释打下了理论基础，目 前的大部分理论工作是针对二能级原子体系。

人们期望有机分子材料在光波范围内具有较强的非线性光学性质，为此实验室设 计和合成了大量有机分子材料。 这些有机分子材料是包含以供电体和受电体为官能 团的π共轭分子体系，其最低的几个激发态往往处于紫外和可见光范围。最近实验室 合成了一系列具有强的非线性光学特性的分子材料 。这些分子材料在可见光范围内具 有较大的单光子和双光子吸收特性。在结构上，该类分子是由具有离域电子的中心体 (称为π中心) 、给电子或吸电子基团组成的一维分子。量化计算结果表明 ，这些分子 在可见光区域内只有一个电荷转移态,其单光子吸收过程主要发生在基态和电荷转移态之间。因此在研究激光和该类分子相互作用时，可以把该类分子看作两能级体系。本文选择非线性分子材料4 ,4’―二甲氨基二苯乙烯作为对象，研究了脉冲激光与其 相互作用的动力学过程。在计算中将样品视作光学厚介质，即同时需考虑光场对分子 的激发和分子的相干作用过程对光场的影响，并考虑上能级到下能级的自发辐射。假设脉冲在垂直于传播方向上光强是均匀分布的，然后利用耦合布洛赫―麦克斯韦方程，建立了与时间和空间变量有关的二能级理论模型。

参考文献：

[1]陈云生,车会生.飞秒激光器的发展现状[J].激光与光电子学进展,2003 (8):1

[2]车会生.飞秒激光及其应用[J].激光与光电子学进展,2003(8):5

第3篇：激光原理论文范文

关键词：激光回馈；波片位相差；偏振跳变

1. 引言

波片作为位相延迟器，在与偏振光有关的光学系统中有着广泛的应用，如外差激光干涉 仪，偏振光干涉系统，偏光显微镜、椭偏仪、光隔离器、窄带光滤波器、可调光衰减器、光 盘驱动器光拾取头等等，其中波片的位相延迟误差会对系统产生影响[1]。正是由于波片在实 际光学系统中的广泛应用，波片的测量技术显得尤为重要。传统的测量方法有旋转消光法、 电光调制法、磁光调制法等，这些方法本质上都属于消光法，需要测角机构，使得整个系统 结构庞大，并且测角的精度会对测量结果产生很大的影响[2-6]。新型的测量方法包括激光频 率分裂法、激光回馈法等，激光频率分裂法精度很高，结构也很简单，但是需要对波片镀增 透膜，不适合实际生产的测量要求[7]。而激光回馈法中，待测波片在激光腔外，不需要进行 镀膜处理，而且整个系统中不需要测角机构以及高精度的检偏器，结构十分简单，因而大大 简化了测量的过程，很适合在线测量的需要。

激光回馈法是利用激光回馈中的偏振跳变现象，通过测量一个扫描周期中两个偏振态的 占空比来实现对波片的测量。由于在长期的测量过程中，很难保证激光器对于两个偏振态的 损耗完全相同，同时，波片的倾斜会造成两个偏振态的透过率不同，当两个偏振态的光强比 值发生变化时，会造成上述占空比的变化，最终导致测量结果产生误差。本文提出了一种双 向扫描测量的方法，可以从理论上完全消除这种误差源，有效地提高了该方法长期测量的准 确性。

测量装置：

 

图 1 激光回馈波片测量仪装置图

激光回馈波片位相延迟法的测量装置如图 1 所示，反射镜 m1、m2 及增透窗片 w 构成

半外腔单纵模 he-ne 激光器，通过控制压电陶瓷 pzt2 可以使激光器始终在中心频率附近工 作；m3 为回馈镜，反射率为 10%，由压电陶瓷 pzt1 驱动，在计算器输出的三角波信号的 驱动下做往复运动；wp 为待测波片，其快轴方向与激光器的本征偏振方向一致；d1 为光 电探测器，探测激光器的光强信号，经放大器 apm 及 a/d 转换后送入计算机处理；p 为检 偏器，与光电探测器 d2 一起探测回馈信号的偏振信息。

在测量过程中，激光器保证始终工作在中心频率处，出射的线偏振光的偏振方向与波片 的快轴方向重合，pzt1 推动回馈镜 m3 来改变外腔腔长，则我们通过探测器 d2 可以探测 到偏振跳变的波形，根据激光回馈偏振跳变的理论，当回馈腔中存在双折射元件的时候，回 馈波形会产生偏振跳变现象，如图 2 所示。

2. 偏振跳变原理及误差源分析

2.1 o, e 光等效反射率及跳变原理

关于激光回馈偏振跳变理论已有文章做过详细的论述[8]。这里对该理论进行简化性的论 述。

我们把 m2 及回馈镜 m3 等效为 f-p 腔，由于回馈镜的反射率很低，所以我们只考虑

m3 的一次反射。记 m2 的反射系数为 r2 ，透射系数为 t2 ，回馈镜 m3 的反射系数为 r3 ，由 多光束干涉理论我们可以得到此 f-p 腔的等效反射系数为

 

其等效反射率为:

 

由于 r3 很小，可以忽略二阶项，于是等效反射率可简化为

r  r  2  r  r  t 2 

而等效腔镜反射率的变化，将直接影响光强信号。所以当外腔没有双折射元件的时候，随着回馈镜的移动，光强呈现为随 l 变化的余弦波形。

当外腔存在双折射元件时，设 o 光方向为 x 方向，e 光方向为 y 方向。双折射元件产生 的位相差为 ，则此时 x、y 两个方向上的等效反射率不一样，分别为

 

 

图 2 激光回馈偏振跳变波形

 

当激光的偏振方向为 x 方向时，x 偏振态的等效反射率 r( x x )  r( x ) 23 ，此时由于 y 偏振光     没有出射，并未进入到外腔，所以其等效反射率 r  r2 ；当激光的偏振方向为 y 方向 时，由于 x 偏振光没有出射，并未进入到外腔，因此 x 偏振态的等效反射率 r  r2 ，y 偏振光的等效反射率 r ( y y )  r( y ) 23 。 对于激光器而言，出射激光的偏振方向取决于两个偏振态各自的损耗。而激光器的损耗与腔 镜的反射率密切相关，反射率越大，其损耗越小。假设初始激光器的偏振态为 x，l 的初始

位置位于 a 点，因此，从图 3 中我们可以看出，在 ab 段，r ( x- x )  > r( x-     

，出射光保持为x 偏振态；在 b 点以后， r ( x- x )

 

（略，想看可以看pdf原文）

2.2 迟滞效应的影响

当 l 向相反方向运动时，按照前边的分析方法，可以得到光强信号及对应的偏振态。 我们可以得到：l 正向运动和反向运动时，等效反射率所走过的路线不一样，偏振态跳变的 方向也不一样，如图 4 所示：当 l 正向运动时，由 x 偏振态跳变到 y 偏振态，x 偏振态所占 周期比大；而当 l 反向运动时，则是由 y 偏振态跳变到 x 偏振态，y 偏振态所占周期比大。 这就是激光回馈偏振跳变现象中的迟滞效应。

我们利用这种偏振跳变的现象，可以实现对波片位相延迟的测量。根据实验的结果，我

3

4. 实验结果

图 6 为实际测量过程中的波形图。我们可以看到，x 偏振态和 y 偏振态的最大光强明显 不同，这也就说明，在整个回馈系统中，两偏振态的损耗是不同的。在长时间的测量过程中， 这种差异也会随之变化，这就对系统长期测量的一致性产生影响。通过同时测量上升沿和下 降沿的周期比，并对两个比值进行平均，可以有效的提高长期测量的稳定性。

图 7 为波片测量仪对一波片连续 8 小时测量的结果。我们可以看到，上升沿的测量结果 整体上是上升的，同时，对应的下降沿的测量结果整体趋势是下降的，因此，通过对二者进 行一个平均处理，补偿后的测量值没有明显的倾斜方向，这也就保证了该系统长期测量结

果的一致性。 由于在实际测量中，我们使用的是压电陶瓷作为驱动装置，来推动回馈镜正向移动和反

向移动，而压电陶瓷存在着迟滞效应，缩短时的曲线线性度不是很好，会对测量结果造成影 响。我们可以通过以后的工作改进系统，改变驱动的形式来消除这部分造成的误差。

第4篇：激光原理论文范文

引言

教学与科研是高校教师的两大核心任务。早在1809年，德国教育家、思想家洪堡在指导建立柏林大学的过程中，就首先提出“通过研究进行教学”的思想和“教学与研究统一”的原则，明确指出大学中教学和研究之间是辩证统一、相辅相成、互相促进的关系，即教学是科研的基础，科研是教学的发展与提高。但到底如何才能把科研成果转化为教学内容，更好地为高校教学服务，从而促进学员创新能力的提升是一个尚需探讨的问题。本文就科研辅助更新教学内容，促进学员创新能力提升的一些具体方法与各位同行进行探讨。

一、科研对培养学员创新能力的意义和价值

美国教育界早在20世纪70年代就明确提出培养具有创新精神人才的教育目标。英国大学的核心办学思想也多为“探测、挖掘和开发学生的潜在能力，激励个人的创新精神”。德国高等教育也非常注重对学生发现问题、解决问题的能力和创造性、独立性的培养。2007年，我国教育部也明确指出“高等教育肩负着培养数以千万计的高素质专门人才和一大批拔尖创新人才的重要使命”。

创新人才培养的必要条件之一是师资水平的高低。“大学之大，非大厦之大，而是大师之大。”一所大学的教学质量很大程度上取决于教师的学术水平、创新能力、治学态度和师德风范。由于教师直接面对学生，是学生知识的直接传授者，更是学生行为的影响者，所以，师资队伍水平是教学质量的关键。古人云：“问渠那得清如许，唯有源头活水来”，而科研过程本身就是创新过程，是教学的“源头活水”。只有通过科研，教师才能形成新观点、新理论，不断提高自身学术水平；才能及时掌握学科发展最新动态，不断更新教学内容；才能对相关领域有更深理解，真正做到讲课高屋建瓴、深入浅出；才能养成创新思维习惯，从而在教学过程中对学生创新能力培养起到潜移默化的影响。正如德国教育家雅斯贝尔斯所言：“只有自己从事科研的人才有东西教别人，而一般教书匠只能传授僵硬的东西。”因此，教师高质量的科研，是高水平教学能力的保证，是培养学员创新能力的前提和基础。

二、以科研促进教学，推进创新人才培养的方法和实践

教师的责任不仅仅是传授知识，更应着眼于学生创新能力的培养。我院光学学科通过以下措施和方式，将科研与教学紧密结合，以科研促进教学，探索创新型人才培养的模式和方法。

（一）科研成果丰富教学内容

科研成果丰富教学内容主要包括两方面：一是科研内容转化为教学内容，二是科研成果转化为教材。科研内容转化为教学内容是指将科研所产生的新成果、新技术、新知识补充到教学内容中，促进教学内容的更新和改革，保证教学内容与时俱进。科研成果转化为教材是指将科研成果及学科前沿知识进行梳理与优化，不断融入教学内容，并通过教案加以固化成果。这样，既可以丰富教学内容，使其更加新颖，案例更加具体，又可以开拓学员视野，培养其科研和创新的兴趣和思维方式。

由于科技的飞速发展，《激光原理与技术》教材内容明显落后于时代科学技术的发展，其教学已不能再单纯地对教材知识和概念进行简单灌输，更需要就理论研究的前沿动态，把如何发现问题、研究问题、思考问题及解决问题的方式、方法教授给学生。例如，在讲授《激光调制技术》内容时，都是简单地提到激光通信作为该技术的案例进行讲解，但激光通信的具体用途等鲜有提及，学生学起来既枯燥，又晦涩难懂。我们在讲授这部分内容时，首先以一种新式间谍仪器――激光窃听器来引题，引发学员的学习兴趣；进而以激光窃听器的工作原理为案例，讲解本节内容――激光调制原理，使学员带着强烈的求知欲望学习激光调制的理论知识；紧接着，又进一步提出新的疑问“如何避免窃听？”，此时，结合鲜活的案例――美国联邦调查局的反间谍官员在所有政要人物和机构的玻璃窗上，安装上一种特制的小型颤动器，破坏窃听。在此基础上，教员进一步结合科研内容，为学员讲解激光通信的另一主要用途――卫星通信最后1公里的关键技术，拓展学员的知识结构；并将科研内容“激光图像加密技术在激光通信中的应用”介绍给学员，让其了解激光通信过程中的防窃听（保密）技术。通过上述方式，将学科最前沿的科研动态、研究方法、科研成果引进课堂，使教学内容与科研成果充分接轨，从而开拓学员的视野，培养其科研和创新的兴趣和思维方式。

（二）科研项目指导毕业设计

学生直接参与科研，可把学生所学的理论转化成解决实际问题的能力，更重要的是，教师能通过自身言传身教的方式影响学生，逐步培养学生具备基本的科研素质和创新精神，因此，教师不仅要自己从事科研，更要带动学生参与科研。我们充分利用科研积累多、经费充足的优势，将教师承担的科研项目内容作为毕业设计内容，使学生通过实实在在的项目、研究内容、研究方法加深对基础理论概念的理解及实际应用。

目前我专业学员的研究生毕业论文题目90%来自导师的科研项目，10%来自创新性更强的预先研究类项目；本科学员的毕业论文题目则100%来自科研项目，并与研究生一起由导师指导，研究生协助指导。这样，促使学生在科学研究的过程中培养其创新思维，提高其综合素质。例如，“高精度激光光源控制技术研究”、“大气湍流对激光通信技术的影响”、“微纳材料在全光开关上的应用研究”、“光子晶体在多波段兼容伪装技术中的应用”等题目均来自教员的科研项目。由于教员在相关领域科研积累较多、各类资源软件丰富，学员做起论文起步快，教员指导也得心应手。另外，我们还根据学员的特点，在毕业设计题目中适当涵盖一些教学研究类课题。例如，有的学员对于三维模型制作感兴趣，我们就将教学类项目――《激光原理与技术》虚拟实验室建设作为某次毕业设计题目。学员的创造能力出乎想象：由于学员自身兴趣所在，所以，学员非常有动力，他不仅自学并熟练掌握了Solidworks三维模型制软件、NGRAIN Producer三维制作平台、会声会影视频制作软件等相关软件，而且还进一步自行利用Dreamweaver网页制作软件设计了整个课程的各级网页，最终圆满完成了“He-Ne激光器模式测试”和“调Q激光器输出特性”虚拟实验的制作，见图1。该实验已在2104年和2015年《激光原理与技术》课程中加以试用，学员普遍反映效果很好。

（三）科研平台拓展创新实验

2007年，教育部指出“高等教育肩负着培养数以千万计的高素质专门人才和一大批拔尖创新人才的重要使命”。其中，实验教学是达到这一目的的重要手段，是培养学员创造性实践能力的重要环节，这就要求实验教学必须跟上学科发展的步伐。为了适应激光技术的快速发展，实验教学必须不断推陈出新，尽快将新技术、新方法转化为实验内容，从而不断充实和更新实验内容，完善综合与设计性实验体系，突出实验教学对学生创新性能力的培养。

我院《激光原理与技术》课程实验涵盖在《现代光学实验》课程中。随着军队院校教学改革任务的推进，本教学团队以教学模式改革为契机，以教师的科研成果和科研条件为基础，大力推进《现代光学实验》课程改革，将教师的部分成熟科研实验的使用范围从研究生扩展到本科学员。例如，我们将科研课题“图像加密”实验为本科学员开放，并与原本“激光通信”实验相结合，使学员通过亲自动手参与前后两个实验过程，形成完整的科学研究思路，使学生在理论课程学习的基础上，充分发展动手能力和创新思维模式。由于“图像加密”实验条件属于自组性实验，完全可以胜任其他相关创新实验的开发，所以，我们利用该条件，又进一步为学员提出了探究性课题――“激光窃听器的设计”实验。学员可以根据自己的兴趣，自行调研、设计和组装实验。在完成上述实验和课题的过程中，学员分析问题，解决问题的能力，以及研究创新能力都会得到充分的锻炼和提高，同时，还能逐步养成实际科研能力和科学的思维方式。

（四）科研思想改革教学方法

科研方法转化为教学方法是指科研方法在课堂教学中的运用，使教学效果高、好、强、灵。《激光原理与技术》课程知识点繁多，大多数内容过于抽象，相关实验开设与本课程间隔时间较长。为了提高《激光原理与技术》课程的教学效果，大力推进学员创新思维的培养，我们以科研方法促进教学手段改革，使教学手段灵活多样，抽象理论形象生动；以科学思维促进教学方法改革，在课堂上广泛开展任务驱动式、研讨式、启发式、互动式等形式多样、内容丰富的教学方法。

例如，在讲解“调Q技术理论”这一章节时，我们以科研中经常用到的Matlab软件为工具，对调Q激光器的峰值功率、巨脉冲能量、脉冲时间特性进行编程，并用GUI仿真平台的方式直接进行展现。这样，学员既可以借助软件输出结果，理解抽象问题，又可以通过对程序编写过程的理解，了解调Q激光器的整个设计过程，从而在潜移默化中养成创新思维习惯。再比如，我们在讲解“高斯光束的聚焦”这一章节时，我们不再按照教材常规顺序教学，而是借助科研的思维模式，采取“任务驱动法”进行教学：我们首先给学员演示激光打标机，让学员意识到了解该技术在日常生活中的普遍性；然后，指出该设备能够精细打标的关键技术之一就是聚焦技术；接着，把任务――设计激光打标机输出光路交给学员，由他们自行查阅资料，自学相关知识，并初步给出光路设计；最后，教员对学员的设计进行验收评价，指出存在的问题，并对学员自学的相关知识进行补充和修正。通过这种方式，不仅提高了学员的学习兴趣，而且学员作为设计者进行学习，可以初步体会科研的整个过程，科研兴趣和创新意识也得到锻炼和提高。

三、小结

本文以《激光原理与技术》课程为例，探讨了以科研促进教学的一些方法和途径。通过科研成果丰富教学内容、科研项目指导毕业设计、科研平台拓展创新实验、科研思想改革教学方法等方式，不但拓展了课堂教学的内容，促进了教学实践方法的改革，更把科研的思维方式传授给学生，把科研中的新成果、新技术、新理论直接运用到教学中，从而极大地激发了学生的学习兴趣，提高了课堂教学质量，推进了学员创新能力的培养。

参考文献：

[1]尚丽平.浅谈教学与科研的关系[J].西南科技大学，高教研究，2007，（1）.

[2]教育部，财政部.1号文件[Z].2007.

[3]教育部.教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见[Z].2007.

[4]曲晓波.以科研促进教学提高人才培养质量[J].长春中医药大学学报，2007，23（2）：89.

[5]陈建成.发达国家研究型大学创新人才培养模式的特征与启示[J].科技与管理，2009，（1）：131.

[6]唐红艳.以科研促进教学，探索如何提升工科大学生的创新素质[J].中国校外教育，2013，24（8）：98，103.

第5篇：激光原理论文范文

最初，多普勒冷却被人们认为是激光冷却原子的唯一机制，即认为多普勒冷却的极限温度就是原子可以获得的最低温度。在1998年，Phillips实验小组报道了 原子低于多普勒冷却的极限温度的三维“光学黏胶”，其极限温度达到了约40 ，这一温度远远低于 原子的多普勒冷却的极限温度[2]。不久以后，Cohen-Tannoudji实验小组也证实了“光学黏胶”的冷却温度远远低于多普勒冷却极限温度[3]。这一实验结果，充分说明了目前对激光冷却机制的理论研究工作不完善，仍需进一步的探究。因此，一些学者们在此基础上又提出亚多普勒冷却机制[4]，主要包括偏振旋转导致的运动诱导原子布居冷却以及后来的磁感应冷却等[5]。

激光冷却与囚禁原子原理实际上就是光场对原子的作用力，即机械作用。Ashkin[6，7]和Letokhov[8]等人首先提出了激光对中性原子会产生偶极力和散射力，并且它们是可以观测到的机械作用力，但这两种力实际上性质不同。在这个理论基础上，在1975年， Wineland与Dehmelt[9]和Hansch与Schawlow[10]分别提出了对中性原子和囚禁在电磁阱中的离子的激光冷却实验方案。从此以后，实验研究随之蓬勃开展起来。

1 光阱

光阱的理论原理和激光捕获微粒的原理，实质上是一致的。当激光和原子相互作用时，原子会吸收光子，并且在辐射光子时就会受到沿光束前进方向的散射力的作用。在近共振光场的作用下，原子会产生感生电偶极矩，电偶极矩又会与光场发生相互作用，此相互作用不仅会使原子受到梯度力的作用，而且还将会导致原子能级的产生与光场强度及偏振有关的能级移动，也就是光频移。若光场中分布着非均匀的光强，那么原子的能级就随着空间的光强变化而呈现一定的分布。由于负失谐时光频移的结果是使光强最强处成为原子势能的最低点，因此在激光束为负失谐时，偶极力将会把原子推向光强最强处；相反地，在激光束为正失谐的情况下，因为正失谐时光频移的结果是使光强最弱处成为原子势能的最低点，所以偶极力又会把原子推向光强最弱处。据此，Letokhov等在1968年提出通过驻波光场的偶极力来俘获原子的办法[25]。

利用散射力和偶极力相结合的方法可以实现原子光阱。朱棣文等人于1986年在大小约为 温度的三维 原子“光学黏胶”的情况下，利用大负失谐量的强聚焦基模高斯激光束，第一次成功地在实验中实现了 原子光阱。

2 磁阱

根据经典的电磁理论，用 [27]来表示不均匀磁场 对磁偶极矩 的作用力。由此，可利用特定结构的磁场系统将磁矩不为零的中性原子俘获在磁场的极小值处。最简单的中性原子磁阱的实验装置由一对通以恒定直流电流的同轴反向亥姆霍兹线圈所组成。在两线圈之间轴线上的中点位置上磁场强度为零。以此点为起点沿着任意方向前进，都会使磁场强度增大。实验中，在应用磁四极阱的时侯，必须先将经过一维激光冷却的慢原子束漂移至磁阱的中心位置上，然后利用近共振的激光脉冲把原子的漂移速度几乎降低至零，与此同时，接通两线圈的电流，就可以在磁四极阱中心实现原子冷却。原子的磁四极阱[26-28]是由Metcalf小组在1985年第一次在实验中成功演示。

当原子在阱内运动时，由于原子在磁四极阱中的受力情况跟原子的磁偶极矩与四极磁场之间的夹角有关，所以必须保持这一夹角基本不变，才可以使原子受到的磁场力指向磁阱的中心位置上，近而成功地将原子在阱中俘获。但是实际上，一般情况下这个条件是很难达到的。

的Zeeman子能级上的原子势能的极低点在磁四极阱的中心位置上。当阱中处在 的Zeeman子能级上的原子运动到磁四极阱的中心位置时，因为，磁阱中心处的磁场强度为零，所以可通过Majarona跃迁过程使其跃迁到 或 的Zeeman子能级上。对 的Zeeman子能级上的原子，该点与原子势能的极大点相对应。在此情况下，原子将在磁场的作用下被推出阱外，这样就会导致阱中原子的泄露。

上文中所提到的漏洞将对阱中原子密度的增加起到严重的阻碍作用。为了克服这一阻碍作用，人们研究出了很多种方法。比如，为了克服Majarona跃迁所引起的原子泄露，Pritchard小组是通过增加均匀偏置磁场的方法，在真空度更高的情况下将磁四极阱中的原子成功地俘获了约 [29].而Corell小组则是利用增加旋转偏置磁场的办法，使得处在 的Zeeman子能级上的原子被旋转磁场形成的等效时间平均势所约束，使其不能再进动到 或 的Zeeman子能级，这样就成功地解决了磁四极阱中原子的泄露问题[30]。原子的交流磁阱的设想是由Lovelace等提出的，而相应的实验工作却是由Wieman小组第一次完成[31]。

3 磁光阱

世界上第一次成功实现激光场与梯度磁场相结合的中性原子磁光阱，是Raab和他的助手们利用 原子实现的[34]。随后，Wieman实验小组在1990年利用半导体激光器在 原子系统中实现了世界上首个直接工作在原子室中的中性 原子磁光阱[35]，这种技术很大程度上简化了磁光阱的实验装置与相关技术。Ketterl等人在1993年[36]又提出了可以有效地提高阱中所俘获原子的密度的方案，即所谓的“暗磁光阱”方案。

第6篇：激光原理论文范文

过去的这个冬天，我一直伏案于书桌旁，专心于完成我的物理学哲学博士论文。在终于为论文画上句号的这个初春，一夜的南风吹白了书房外如雪的梨花，正当我欣喜于小城春天的又一次莺飞草长之时，我收到了中国驻美使馆教育处张静安老师的电子邮件，通知我获得了2007年度“国家优秀自费留学生奖学金”，并热情地邀请我们谈一谈感想。

谈一谈什么好呢?多年来都是用英文写实话实说的科技论文，很少文以明志，笔下抒情，我不免踌躇起来。思想之余，我首先要感谢使馆教育处的老师们和国内的专家、评委们的辛勤工作，把这份荣誉授予我，让我深深地感受到来自祖国的一份关怀。这份关怀让我们留学海外的学子感到十分温暖，同时也更深切地了解到祖国对我们的关注。我想借着这个机会，谈一谈10多年来我在物理学的学习和科研中的一些经历，也许更能够表达我对这种关怀的谢意。

一

我中学和大学时代是在广州度过的。在执信中学读书时，我对物理产生了浓厚的兴趣。由于父亲在中山大学物理系任教的关系，我有机会认识许多中山大学物理系的老师。还记得当我要参加全国中学生物理竞赛时，物理学教学的专家罗蔚英老师专门找来习题集和大学课本送给我，告诉我学学普通物理对物理竞赛有很大的帮助。之后，我在全国物理和数学竞赛中都获了奖，得到了免试保送的资格。当时，许多保送生都选择热门专业，愿意学习基础学科的人很少。当得知我打算选择物理专业时，时任广东省物理协会理事长的莫党老师非常高兴，专门为我给几所国内最好的物理系写了推荐信。回想起来，当时的我只是一个什么也不懂的中学生，物理学前辈们对年轻人的热情是促使我研究物理、热爱物理的一个重要原因。

1995年，我进入中山大学物理系理科人才培养基地班学习。基地班的学生一入学就可以选择本科导师，进行科研工作。选择什么样的科研方向呢，像许多热爱物理学的中国年轻人一样，我一开始属意于理论物理，因为杨振宁、李政道的影响，可我很快发现我更着迷于实验物理学。

中山大学有一个早年由我国著名的光谱物理学家高兆兰教授成立的超快速激光光谱学实验室，每当我进入实验室，在黑暗中看到那些红红绿绿的激光光束和跳跃在示波器上的脉冲信号时，我就感到莫名的兴奋和紧张。那时一台飞秒量级超快激光还是一台非常稀罕的仪器，中大的老师们曾经自己研制过一台。当我看到许多人在黑屋子里忙活大半天，为在示波器上终于获得一个脉冲波形而得意万分时，我被深深地吸引了。我找到当时的超快激光实验室主任周建英老师，提出请他作为我的本科导师。10多年后我仍然记得他津津乐道地告诉我，下一个世纪物理学的一个主题将会是对量子世界的操控，激光与物质的相互作用是一个重要的前沿，这影响了我后来科学研究的兴趣所在。

1999年，我来到北京大学物理学院现代光学研究所龚旗煌老师的实验室，攻读硕士学位。在龚老师的悉心指导之下，我开始了利用飞秒激光进行光子材料微制备的研究。在这里我接受了光学实验的完整训练，也学会了如何一步步地开展一个全新的课题。这里宽松融洽的气氛，使我有机会接触到现代光学研究所里不同的研究方向，由此扩展了学术视野。2002年，因为我在超快激光微制备课题上的工作，被授予中国光学学会王大珩光学奖的青年学生奖。同年，我收到了美国五六所最顶尖光学与原子光物

二

负笈美国，我的目光投向了冷原子物理学。冷原子物理学是世纪之交物理学一个异常活跃的领域，它利用当今最精密的实验技术把气态的原子冷却到自然界的几乎绝对零度。在这一温度下，原子表现出奇妙的量子力学性质，他们不再是单个的孤立粒子，而是像振动的琴弦一样表现出优美的波动性。冷原子物理学的实验研究不仅可以回答量子物理学中一些悬而未决的最基本科学问题，而且为实现和操控量子世界提供了非凡的技术手段。1997年，两名美国物理学家因为激光冷却原子的实验技术而获得诺贝尔物理学奖。4年之后，另外3名美国物理学家又因为成功地冷却玻色原子到玻色爱因斯坦凝聚态，获得2001年诺贝尔物理学奖。4年之中同一领域两度获得诺贝尔奖，这在科学史上极为罕见。

在自然界中，任何微观的粒子都可以分为玻色子和费米子两大类。在冷却玻色子后，冷却费米子成为冷原子物理的核心问题，也是整个物理学界关注的焦点之一。但是费米原子的冷却非常困难。较冷的费米原子处于简并态，泡利不相容原理使同类原子间的碰撞受到抑制。要进一步冷却费米气体，需要冷却和捕获多重自旋态的费米原子。这需要激光冷却捕获原子技术上的重大革新。在美国杜克大学博士期间，我有幸遇到了我的导师约翰・汤姆斯(John Thomas)教授。约翰上个世纪70年代毕业于麻省理工学院，他是当今美国原子与光物理学界的大师之一，是全光学冷却原子方法的主要开拓者。

我在约翰指导下的研究正是致力用全光学冷却的方法冷却6Li费米原子，并研究强相互作用下费米气体的物理性质。我们利用高功率的超稳定远红外CO2激光，形成光学陷阱，直接把冷原子从磁光阱中捕获并进行蒸发冷却。形象地说，这个工作好比是为原子和光子编舞，让冷原子随着激光起舞，把物理学家们带入充满未知的量子世界。迄今为止，全光学冷却的关键技术只有美欧的少数研究小组掌握。鉴于搭建一个原子冷却系统的复杂性，大多数在这个领域工作的学者有操作系统的经验，而没有从零搭建的经验与能力。约翰作为一名出色的实验物理学家，特别注重培养研究生制造仪器的能力。他常常用风趣的语言说明极为深刻的做科学的道理。他讲到麻省理工学院历史上的成功经验之一，就是一个一流的实验物理学家总是一个优秀的工程师。他又开玩笑说，如果你喜欢整天在实验室里干管道工，而不是急着收集数据的话，你就可以完成任何人都完成不了的实验。

在约翰的指导下，我在博士期间完全从零开始，搭建了新一代的全光学费米原子冷却系统，在技术上进行了多项革新，发展了高真空红外窗口，超稳定光学等多项原创性技术。在自己搭建的系统上，我系统研究了强相互作用下6Li原子的冷却特性，把费米原子冷却到了的超流态凝聚温度之下。经过2年的工作，从一个空房间到建成全新的超冷原子实验室，我的工作受到了约翰的高度评价。这种训练也使我成为在这一领域掌握核心技术和创新

能力的博士研究生。

强相互作用费米气体的实现为从实验上探索强相互作用的多体量子力学和量子场论打开了大门。强相互作用费米子涉及到高温超导体、中子星、夸克胶子等离子体等物理学上的奇异体系。这些体系和强相互作用费米原子气体一样处于量子热力学的普适状态，即所有物理量仅仅是温度的函数，而不依赖微观的相互作用。这一问题的实验和理论研究受到了原子物理、凝聚态物理、核物理和高能物理各个领域的广泛关注。2006年，我通过费米原子在强相互作用区间和弱相互作用区间的等熵绝热变化，提供了第一个不依赖理论模型的强相互作用费米气体的热力学测量，测定了这一体系中能量与熵的基本关系，明确了温标和超流相变的临界温度，从而为证实量子多体系统中普适热力学问题奠定了实验基础。著名的理论物理学家奥卢，布卡克(AurelBulgac)、彼特，庄曼(PeterDrummond)等对于我们的实验给予很高的评价，认为这是冷原子领域的一项重大进展，是检验强关联量子理论的实验坐标。

三

我的另一重要工作是研究强相互作用的费米气体中的量子粘滞力。众所周知，超流体展现了完美的流体性质。但正常流体是否也可以具有完美流动性是一个物理学领域极具争议的问题。近来高能物理学在夸克胶子等离子体上的实验进展和弦理论对强相互作用量子场的计算显示，正常流体也可以逼近粘滞力的量子力学极限。我们利用旋转超冷费米原子的实验，展示了在强相互条件下，正常态和超流态的费米原子都可以有完美的流体性质。一旦测定了量子粘滞力的下限，不仅对了解夸克胶子等离子体有重大意义，还会为弦理论的计算提供第一个实验检验。

超冷费米原子的研究在过去几年是一个激烈竞争的领域。竞争主要在包括我们小组在内的美国4个研究组和欧洲的2个研究组中展开。诺贝尔奖获得者沃尔夫冈，克特勒(Wolfoang Ketterle)和美国科学院院士兰迪，惠里特(Randy Hulet)是其中的另外两个小组。我的研究工作得到了这些同行的肯定和赞赏。2007年我被授予弗里茨，伦敦奖学金(Fritz London Fellowship)，该奖是以量子化学和低温物理学的奠基人，著名物理学家和化学家弗里茨，伦敦命名的一项奖励。

为推动美国在量子科学领域保持领先地位，美国国家标准技术研究院和马里兰大学集合了这一领域的国际顶尖科学家，于2007年成立了联合量子研究所(Joint QuantumInstitute)。为了发掘优秀的年轻人加入这一团队，联合量子研究所专门设立了博士后奖(JQ0 Postdoctoral Fellow)。该奖每年在全世界范围内通过竞争，评选出两位获得者，一位侧重于理论方向，一位侧重于实验方向。博士毕业之际，我有幸被选为其中之一。诺贝尔奖获得者威廉，菲利普(William Phillips)高兴地对我说，你是我们研究所第一个实验方向上的博士后奖获得者，我们希望你成功。

四

第7篇：激光原理论文范文

1　激光器的产生和发展1916年爱因斯坦提出的"自发和受激辐射"理论是现代激光系统的物理学基础。但是,在此之后的40多年里,一直没有人在实验室证实受激辐射的存在。20世纪50年代,由于无线电技术的迅速发展,Schawlow和Townes依据爱因斯坦的理论,将电磁波的研究范围从短波扩大到微波波段,研究成功了当时被称为MASER的一种仪器,即微波激射器,又称微波量子放大器,这种设备可使微波束更趋于集中。1958年,他们又将微波激射器原理从微波扩大到了光谱波段,提出了激光器理论。此时,Theodore Maiman也正在进行这方面的研究。1960年,他成功地应用人工合成的淡红色宝石晶体制造出世界上第一台激光器,为输出波长694.3nm,脉能400mJ的相干光,被称做激光。为了表明其威力,Maiman用毫米波的脉冲激光在一打剃须刀片上成功地进行了一次钻孔实验。之后的4年里,激光器家族又相继出现了许多种类型:1961年,Java等研制成功了波长1150nm、近红外线的氦氖(He-Ne)激光器;同年,Johnson发明了掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器;1962年,Bennett研制成功了波长为488nm的氩(Argon)激光器;1964年,Pate等又发明了二氧化碳(CO2)激光器。随后,多种固体、气体和半导体激光器相继问世,标志着一门新兴学科--激光技术的形成。

2　激光器的工作原理激光器一般由三个主要部分组成:①激励能源;②工作介质(为气体、液体、固体或半导体材料);③激光共振控。在一个激光系统中,激光的工作介质在没有受到激励以前,绝大多数粒子处于稳态,粒子的原子核带正电,核外电子带负电,电子处在核外的一些特定的轨道上围绕原子核不停地旋转着。当激光的工作介质受到激励(如强光照射)从外界获得适当能量时,电子就会从能量较小的轨道跃迁到能量较大的轨道上去,呈亚稳态级状态,实现粒子的反转,亚稳态能级上的部分原子自发跃迁到低能级而返回稳态,同时放出能量,即光子,此类光子称为自发辐射光子。自发辐射光子在共振控内呈布朗运动,随着运动,可能会碰撞到其它电子,使其跃迁到稳定的状态,从而放出更多的光子,产生受激辐射。自发辐射光子的传播方向不一,凡不沿工作介质轴线方向传播的以及由它诱发产生的受激辐射光子,都很快地从工作介质的侧面逸出,而沿轴线方向传播的自发辐射光子以及由它诱发产生的受激辐射光子传播至共振腔内的部分反射镜时,少量光子透射出去,大部分被反射回工作介质。被部分反射镜反射重新回到工作介质的光子,继续诱发新的受激辐射,光同时被放大,继续传播遇到全反射镜时,光子全部被反射。被反射镜反射出来的光子,再次进入工作介质,诱发新的受激辐射,光进一步被放大,光子在共振腔中来回振荡,受激辐射不断增强,光不断被放大,当光子增加到一定数量时,便能从部分反射镜一端连续地、稳定地输出激光。激光同样是一种光,也同时具有波动性和粒子性,但不象太阳光那样是天然存在,而是人工激活的特定活性物质,在特定的条件下产生的受激发光。激光器是强相干光源,它所发出的激光是一种受激辐射相干光,是在一定条件下电场和激光工作物质相互作用的结果。激光具有高度的定向性、单色性、亮度和相干性。激光的波长或频率决定了它的特性。当激光接触到作用物时,作用强度依赖于波长和作用物的组成成分。激光可以发生反射、折射和散射、或被作用物质吸收。机体的血红蛋白、黑色素以及外源性的文身色素等是机体吸收激光光能的主要物质。在临床应用中,当激光作用于组织时,激光光能只有被组织有选择的吸收,临床效果才能达到最佳。

3　激光的临床应用

3.1　血管病变皮肤血管病变是目前应用激光治疗的最普遍的疾患,选择性的光热分解原理(1)使激光治疗不再仅仅局限于成人的皮肤血管病变,而且逐渐开始应用于婴儿及幼儿患者,并且治疗后的疤痕不明显。在20世纪80年代末,成人的葡萄酒色斑的治疗效果已经很好,现在已有许多学者报导应用激光治疗儿童葡萄酒色斑达到很好的疗效。治疗效果的差异主要在于治疗部位的不同。Tan等(2)应用闪光灯泵浦脉冲染料激光(the flashlamppumped pulseddye laser)对35例14岁以下患者进行治疗,效果良好,完全去除了病变组织。Reyes和Geronemus.(3)报导73例6个月～14岁患者,其中,经过一次治疗53%的患者病情有很大程度改善,33例患者经过平均2.5次的治疗75%色斑褪色。Morelli和Weston.(4)建议在出生后7天～14天进行早期处理,6个月时进行全面的治疗,在报导的132例患者中,25%的患者在18个月前获得了全面的治疗,如在出生18个月后进行治疗,在使用相同的治疗次数则仅有约7%～10%的患者获得了满意的疗效。对激光治疗草莓状血管瘤的疗效有着很大的争论,有报导.[5,6]应用氩激光和掺钕钇铝石榴石激光可以减缓瘤体的增长,同时诱导其退化。但这一结论并未引起共识。近来有报导称应用闪光灯泵浦脉冲染料激光治疗血管瘤达到了一定的效果.[7],然而,其应用价值是有限的。先天性动脉畸形的处理通常选择高度选择性的畸形血管栓塞与外科手术相结合,如术前应用激光治疗则会收到较好的效果,在外科切除过程中,可以明显减少出血。动脉畸形的体表外露部分可以应用闪光灯泵浦脉冲染料激光进行治疗,临床可能将会有较大的应用前景。激光治疗皮肤的血管病变后常可见到治疗区域皮肤有色素改变,但一般在术后3月～6个月时逐渐减退。应用闪光灯泵浦脉冲染料激光可能会引起患者疼痛感,多数成年患者对疼痛的程度可以忍受,部分人在术前可以静脉内或肌肉内注射镇静剂,而婴儿或儿童则需给与全麻。应用氩激光治疗可能会引起瘢痕形成,一般认为照射剂量过大是引起瘢痕的主要原因,上唇、下颌等处最易发生。可能这些部位对激光照射最为敏感。而应用闪光灯泵浦脉冲染料激光治疗则很少形成瘢痕。一般,面、颈部的血管病变的治疗效果优于躯干及肢体。

3.2　激光治疗瘢痕1982年Bailin.(8)首次报导应用连续波二氧化碳激光切除瘢痕疙瘩获得成功,并论述了激光在无创伤性和抗炎症性方面的优势。1983年,选择性光热分解理论的建立,使激光技术获得了飞跃性进展,出现了高能量、目标特异性的脉冲扫描激光。在这之前,激光治疗的目标选择性差,经常造成治疗区域周围的正常组织或细胞损伤。而这种高能量脉冲扫描激光器具有高度的目标特异性,可最大程度地减少瘢痕形成。氩激光是最早应用于增生性瘢痕和瘢痕疙瘩治疗的激光类型之一。它被认为.(9)激光照射可使毛细血管凝固,导致局部组织缺氧,并伴随糖酵解,产生乳酸,降低局部组织的pH值,导致酶(包括胶原酶)的释放,粒细胞溶解。胶原酶的释放,致使胶原溶解,使增生的瘢痕组织变软、平坦。这表明激光治疗的疗效是组织中的胶原酶释放的直接结果,同时可能也与d2-巨球蛋白(胶原酶抑制剂)的减少有关。但也有学者对氩激光的治疗效果提出疑义.(10),他们认为,氩激光的作用机制是激光的热传导引起真皮组织皱缩,但治疗常限于机体的体表,所以仅能达到短期的治疗效果。掺钕钇铝石榴石激光对胶原的代谢也可产生影响,初步研究显示应用此激光处理过的猪皮肤中胶原的含量减少.(9)。胶原的产生在掺钕钇铝石榴石激光直接的光生物学效应作用下被选择性地抑制,而成纤维细胞中的DNA复制和细胞活力并未受影响.(11)。在常规切除或二氧化碳激光汽化作用的配合下,掺钕钇铝石榴石激光减少胶原合成以及治疗增生的瘢痕组织的效果将更好。瘢痕外观持久发红是血管过度增生的表现,血管增生可引起成纤维细胞增生和 胶原过量沉积。自有血管特异性、波长585nm的闪光灯泵浦脉冲染料激光在增生性瘢痕及瘢痕疙瘩中的应用后,治疗效果有了明显改善。1995年,Alster和Williams.(12)将胸骨切开术后形成的胸骨瘢痕组织分为左右各半,即治疗组和对照组。通过分析瘢痕皮肤的表面结构、红斑、组织学特性、瘢痕高度、中心部的柔软度以及症状学,证实激光治疗组瘢痕组织在治疗后6个月,上述各方面较对照组均有改善。对闪光灯泵浦脉冲染料激光治疗能使瘢痕组织变平、软化的机制目前并不清楚。可能是激光治疗后真皮微血管灌注减少,组织缺氧,致使组织胶原代谢的改变;同时在激光的热效应的作用下,胶原纤维间的二硫键断裂,胶原纤维发生重排.(13)。

3.3　激光用于面容老化近几年,激光大量应用于颜面部过早衰老及皮肤皱纹过多的整形外科重塑,其中二氧化碳激光是应用最广、最多的类型之一,新一代的二氧化碳激光是依据光热分解原理制成的.(1)。与老一代连续波二氧化碳激光的区别是具有快速的脉冲。这类激光对颜面部皱纹过多及易衰老的皮肤有效,治疗的方法因人而异。主要作用于皮肤表皮及真皮浅层,气化去除颜面部原有的皱褶皮肤,使真皮浅层菲薄的胶原纤维带发生变性,新生出相对平坦的表皮,由新生的胶原纤维代替变性的胶原纤维,从而使皮肤绷紧,去除细小皱纹,增加皮肤的弹性和光泽,同时可以防止其它与治疗无关的细胞受到损伤。浅色皮肤的治疗效果较好,深色皮肤应同时配合使用漂白治疗,以防止术后过度的色素沉着。在治疗之前应先进行大约3周的皮肤护理,并且做好充分的术前准备工作,愈合过程通常需要2周的时间,术后治疗区域皮肤发红可能会持续6周～8周时间。术后应防止阳光曝晒,皮肤护理需继续维持至完全愈合。如发现有早期瘢痕形成或相应表现,应立即局部行类固醇类药物的治疗。色素过多可以同时应用氢醌(脱色剂)或其他漂白类药物。激光治疗除能产生新生的胶原纤维外,也起到一定的胶原收缩作用。这一现象在许多年前曾被描述于角膜组织.(14，15)。关于皮肤的胶原收缩作用Ross等.(16)报导应用二氧化碳激光行面部年轻化手术可引起胶原纤维收缩。治疗面积在治疗后立即收缩了10%～30%。Gardner等.(17)进行组织学研究表明,激光导致了真皮胶原束的排列及其特性的明显改变。在激光皮肤年轻化手术与皮肤磨擦术、化学剥脱术的对比研究中,经过激光面部皮肤重塑后,位于面颊和鼻唇沟部位的松弛皮肤以及多余的眼睑部分皮肤都可得到一定程度的改善,而在化学剥脱术或皮肤摩擦术后却很难达到这一效果。许多学者建议进行全面部的激光治疗,以便引起整个面部皮肤的紧缩。但这方面的临床及组织学研究有限。激光面部年轻化手术的并发症包括:色素改变,疥癣,粟粒疹,增生性瘢痕,以及器官的外翻畸形。在进行局部治疗时,也可能引起皮肤或眼球角膜的损伤。

3.4　色素改变及其它色素改变的治疗由于激光选择性光热分解理论的应用而发生了重大突破。在这之前,激光治疗大多会遗留有让人难以接受的瘢痕组织。美容性文身在过去的二十年里非常流行,但当某种原因需要去除时,则困难重重。在应用Q-开关掺钕钇铝石榴石激光、Q-开关红宝石及Q-开关翠绿宝石激光后,美容性文身,尤其是多色彩美容性文身的治疗获得了相当程度的成功.(18-20),在Q-开关激光的高能激光作用下,光能可被皮肤中的色素颗粒-文身墨吸收,使色素颗粒气化并碎裂,而细胞框架可完整的保留下来,在其后的炎症反应过程中,颗粒碎屑被吞噬细胞吞噬,并被排出体外,而被消化了色素颗粒的细胞,可在较完整的细胞框架基础上,很快得到修复,从而最大程度的去除了文身。Q-开关激光只破坏色素颗粒或色素细胞,而邻近的正常细胞不被破坏,而使其损伤降至最低。当然,此方法也存在一些局限性,如白色文身对激光治疗反应较差就是其中之一。应用超速脉冲二氧化碳激光行显微毛发移植术也有报导,可减少水肿、出血和植皮时间.(21),但激光是否影响移植皮片存活目前仍不清楚.(22)。疣可用闪光灯泵浦脉冲染料激光或二氧化碳激光治疗。Kauvar等.(23)报导在术后3月～9个月,有83%～99%的疣消退。激光被用作美容外科手术器械是个有争议的问题。Mittelman等.(24)在评价激光的作用时,与传统的电烙器和电刀进行对比。在组织学方面激光(CO2、ND:YAG等)会造成更大的组织损伤,但用激光止血优于电烙器。这些研究只是局限于手术中,而并未考虑到术后的伤口愈合以及长期效果。已有报导应用激光行睑成形术获得了较好的效果。Glassberg等.(25)在调查了4000多例患者后表明,激光睑成形术可减轻水肿、皮下血肿以及术后疼痛,而未发现其它严重的并发症。

4　激光安全性问题激光的危害包括光辐射、化学物化、高压电、噪音、低温制冷剂以及电源的X射线等因素造成的各种危害。对于有经验和仔细的操作者来说,激光是非常安全的。但仍应对其安全性问题引起注意。对超过安全阈值的激光,要穿上白色工作服,戴手套,不让激光直射皮肤并防止反射、散射光照射皮肤。遮光镜是用于任何治疗中波长激光的防护用具。当患者需要行面部治疗时,眼睛应以角膜罩进行保护。激光气化形成的含碳及组织分解产物的烟雾,可以吸入而沉积于工作人员的肺泡中,故术野需有吸尘装置,手术室应有良好的抽气设备。激光可引起麻醉剂的起火和爆炸,也可引起物品着火,室内禁止有易燃易爆的物品,并应备有紧急起火时的报警设备。激光治疗室应限制出入量,并由专人负责。综上所述,激光在美容医学中的应用为以往治疗效果不理想的方法提供了一定程度的弥补作用,并为美容治疗提供了一种新的尝试,它将逐渐成为美容医学的一种重要的工具和治疗方法。

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第8篇：激光原理论文范文

【关键词】Zemax；准直；非球面

0 引言

半导体激光器因其体积小、重量轻、阈值电流低等特点已被广泛应用于材料加工、激光通信、信号处理、医疗、军事等相关领域。但由于半导体激光有源层在横向和侧向的尺寸不一样，导致出射光束发散角较大且不均匀，严重影响了能量的传播和后续的测量过程。一般常用的激光准直的方法有圆柱透镜法、非球面柱镜法、光纤耦合法、渐变折射率透镜法和液体透镜法等。本文主要介绍利用两片非球面柱透镜的方法进行激光准直，并在zamax软件中进行仿真，同时提出一种对点光源整形为线光源的方法。

1 半导体激光光束特性

半导体激光的发光原理是基于受激光发射，满足粒子数翻转和阈值条件，模式可分为空间模和纵模。因为在横向和侧向的尺寸不一样，导致的衍射效应叠加的结果也不一样，最后形成输出光束为椭圆高斯的光束。本文讨论的是小功率半导体激光器，因为它的发光面尺寸较小，近似用基模高斯分布来分析，输出光束的光强分布可用下面的公式给出：

2 非球面准直透镜组设计

2.1 非球面方程介绍

Z（r）为非球面的凹陷度；r为非球面的孔径半径，r2=x2+y2（若只考虑YOZ平面的话，x可以为零）；c为曲率半径的倒数；k为圆锥系数。

2.2 非球面方程参数确定

横向在光学设计中也可以理解为子午方向上，即YOZ平面，如下图所示。

在准直设计中会给出目标光斑大小y以及透镜折射率n，这样？琢■、y、n已知，计算得到，再代入式（6）～（8）中求出横向非球面透镜的参数。侧向的柱透镜的非球面方程系数可通过上面过程同样可以得到。

3 软件仿真与整形系统介绍

3.1 参数计算

3.2 zemax仿真及结果对比

在非序列模式下对光源建模可以用软件里面自带的Source Diode，然后设置它的子午方向和弧矢方向的发散角，两个柱透镜的建模可以使用软件里面集成的Biconic Lens，然后根据本章计算得到的参数输入到相应的位置中，再在透镜后的位置放置Detector面，最后对半导体激光光线进行追迹，用接收面积为60mm*60mm的接收面在距离光源50mm、100mm和200mm处分别采集光斑图样，并与没有加准直透镜的系统进行比较。如下图所示，其中（a）、（b）、（c）图分别表示的是在50mm、100mm、200mm的光斑大小对比，最后准直后的发散角近似计算得到为0.29°，准直性良好，满足设计要求。

3.3 整形系统介绍

点激光整形为线激光通常使用柱面镜、回转棱镜等，但是柱面镜产生的是高斯光束，中心区域较两边能量高，直线亮度不均匀，而本文采用的鲍威尔棱镜则不同，它可以产生光强均匀的线光。鲍威尔棱镜是一种光学划线棱镜，入射光斑入射到鲍威尔棱镜前面的非球面表面，然后光线偏折，最后在后表面折射出去，可以仿照建立非球面准直的思路，对鲍威尔棱镜在zemax软件中建模并进行仿真。

4 结论

本文从理论出发，设计了在横向和侧向上的两片式非球面透镜准直系统。在给定设计参数的情况下求出非球面系数，并通过zemax软件进行仿真，该方法建模简单，可通过编写软件后自动计算参数，最后达到准直的效果良好，有待加工出实际透镜后做进一步验证。

【参考文献】

第9篇：激光原理论文范文

论文摘要：本文主要简介了激光与生物组织相互作用所产生的生物效应，概述激光与生物分子相互作用机理研究现状。为提高和发展激光技术在此领域的应用，有必要对激光的生物学效应及生物物理机理进行研究。  

 

一、激光的发光原理及其生物学效应 

 

1激光发光原理 

把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜构成的光学谐振腔中，处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外，轴向传播的光波却能在腔内往返传播，当它在激光物质中传播时，光强不断增强。如果谐振腔内单程小信号增益g0l大于单程损耗δ，则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子即自发辐射。同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话，会导致原子从低能级向高能级跃迁即受激激吸收。然后，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子即受激辐射。这些运动不是孤立的，而往往是同时进行的。当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，受激辐射得到放大从而比受激吸收要多，就会有光子射出，从而产生激光。 

2激光生物学效应 

由于激光具有能量和动量，激光作用于生物分子，就有可能使生物分子产生物理、化学或生物反应，这就是激光生物效应。目前，学术界认识比较一致的激光生物效应大致有五类：.激光生物热效应、激光生物光华效应、激光生物压力效应、激光生物电磁效应和激光生物刺激效应。生物组织内的天然色素颗粒，对近紫外、可见光和近红外光谱区的激光有选择吸收作用。激光生物效应，目前已经在激光医疗、激光育种方面得到广泛、有效的应用。 

（1）激光生物热效应 

激光照射生物组织时，激光的光子作用于生物分子，分子运动加剧，与其他分子的碰撞频率增加，由光转化为分子的动能后变成热能，可能会引起蛋白质变性，生物组织表面收缩、脱水、组织内部因水分蒸发而受到破坏，造成组织凝固坏死。当局部温度急剧上升达几百度甚至上千度时，可以造成照射部分碳化或汽化。在照射生物组织时，不同波长的激光产生热效应的机制也不尽同。红外激光的光子能量小，生物组织吸收后只能增加生物分子的热运动导致温度升高，所以它是直接生热可见光和紫外光的光子能量大，生物组织吸收了光子能量后引起生物分子电子态跃迁，在它从电子激发态回到基态的驰豫过程中释放能量，该能量可能引起光化反应，也可能转化为热量产生温度升高，所以它们是间接生热。激光热效应究竟应表现为哪种形式，在激光方面取决于其输出参数、作用时间，在生物组织方面则取决于其光学、热学特性等诸多因素。 

热效应是激光致伤的最重要因素。激光损伤区与正常组织的界缘十分清楚，这是由于激光脉冲时程短，生物组织的导热性差，瞬间放热来不及扩散到受照射部位以外的缘故。辐照后，由于继变化，如炎症、出血、再生等，会使原初清楚的损伤界缘逐渐变得模糊。 

（2）激光生物光华效应 

当一个处于基态的分子吸收了能量足够大的光子以后，受激跃迁到激发态，在它从激发态返回到基态，但又不返回其原来分子能量状态的弛豫过程中，多出来的能量消耗在它自身的化学键断裂或形成新键上，其发生的化学反应即为原初光化学反应，在原初光化学反应过程中形成的产物，大多数极不稳定，它们继续进行化学反应直至形成稳定的产物，这种光化反应称为继发光化反应，前后两种反应组成了一个完整的光化反应过程，这一过程大致可分为光致分解、光致氧化、光致聚合及光致敏化四种主要类型，光致敏化效应又包括光动力作用和一般光敏化作用。生物的光华效应产生的根本是生物的而组织有一定的色度，能选择性地吸收300～1000nm光谱。生物体内的色素有黑色素和类黑色素、血红蛋白、胡萝卜素、铁质等，其中黑色素对激光能量的吸收最大。脱氧血红蛋白在556nm,氧合血红蛋白在415、542、575nm处有清楚的吸收带,胡萝卜素吸收带在480nm处，黑色素和类黑色素在400～450nm波段吸收最强。无论是正常细胞还是肿瘤细胞，在细胞质和细胞间有许多黑色素颗粒，它们吸收激光能量使能量在色素颗粒上积聚而成为一个热源，其能量向周围传导和扩散，从而引起周围组织细胞损伤。 

（3）激光生物压力效应 

由激光照射产生的机械作用可分为两部分：激光本身的辐射压力对生物组织产生的压强，即光压，称作一次压强；生物组织吸收强激光造成的热膨胀和相变以及超声波、冲击波、电致伸缩等引起的压强，叫二次压强。由激光导致的生物细胞的压强的变化可以改变生物细胞、组织的形状，使得生物细胞、组织内部或之间产生机械力，从而对生物细胞、组织产生巨大的影响。由这种作用产生的冲击波是激光致伤的另一原因。冲击波在组织中以超声速运动，在组织中产生空穴现象，引起组织破坏。戈尔德曼指出：脉冲时程50毫微秒的q开关激光产生的冲击波压力，可大于10个大气压。实际上，激光热效应影响范围十分局限，而由压力效应引起的组织损伤，则可波及到远离受照区的部位。例如，用红宝石激光照射小鼠头部时，发现头皮轻度损伤，颅骨和大脑硬膜并无损伤，而大脑本身却大面积出血，甚至造成死亡。 

 

二、激光与生物分子相互作用机理研究现状 

 

20世纪八十年代以来，由前苏联、匈牙利等国的专家提出了不少假说，其中常见的有下列4种：生物电场假说(前苏联伊柳辛提出);色素调节假说(前苏联伽马列亚于1981年提出);细胞膜受体假说(前苏联普鲁哈丘科夫于1980年提出):偏振刺激假说(梅斯特1977年提出)。另外一个假说是:由孤子状态进入混沌状态假说。美国englander(1980年)、日本的jomosa(1984年)。 

中国的肖家鑫(1987年)用孤子理论对dna的复制、转录等遗传功能作出过解释。刘颂豪(1991年)也提出了生物学过程中的孤子现象。云南理工大学的周凌云对“由孤子状态进入混沌状态假说”的进一步发展作出了贡献。激光生物物理学家王惠文在其所著的《激光与生命科学》一书中介绍了周凌云的研究成果:“周凌云(1993)提出，在弱激光的作用下，dna分子系统可进入‘无序’的混沌状态，并根据dna分子动力学方程(sine一gordon方程)的分析结果，可以解释dna的真实遗传，从而导出含激光一dna分子动力学的运动方程，以及激光的电场相互作用对dna分子系统的动力学效应。通过含激光与dna相互作用运动方程的m.inikov方法或知dna系统即使在弱激光的作用下，也有可能由原来的孤立子运动状态进入混沌状态。从而导致其构象随时间‘无规则’地演化产生遗传变异’。但由于激光的生物刺激和诱变等效应作用机理的复杂性，特别是弱激光与生物分子的相互作用机理，目前尚未得出完善的科学解解释。 

激光与生物组织的相互作用很复杂，有待进一步研究。激光生物效应分类还没有明确的界限，如在光化效应中光热效应也起了很大的作用，电磁作用也产生热效应和机械作用等，激光热作用、光化作用和机械作用通常是同时发生的，所以相互作用的分类并不是绝对的，但各种作用之间也确存在着一些差别。如每种效应都具有典型的激光及典型现象等。激光与生物组织的相互作用是一个多种因素决定的复杂过程，激光的参数(如波长、功率、激光模式等)、生物组织的性质(如密度、弹性、热导率、比热、热扩散率、反射率、吸收率、不均匀性和层次结构)以及生物体状态等对激光的生物效应都有影响。激光对生物组织的作用具有有利和不利两个方面，要想利用激光,最首要的任务是认识并理解激光与生物组织的相互作用机理，然后才能加以应用。 

 

参考文献： 

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