激光在科学领域的应用

1.激光光谱技术
激光拉曼光谱技术
激光拉曼光谱是用激光作为强的单色光源研究拉曼光谱的技术，它克服了经典拉曼光谱的弱点，使拉曼光谱复兴起来，这种光谱法不仅可以提供与红外光谱相互补充的分子光谱数据，而且还能研究红外光谱技术无能为力的许多现象和课题。 最简单的拉曼光谱如图所示，中央是瑞利散射线，它的频率为 v0 ，也就是激发光的频率，它的强度最大。斯托克斯线在瑞利线的低频一侧，频率 vs=v0+ △ v ，反斯托克斯线在瑞利线的高频一侧，频率为 va= v0- △ v ，反斯托克斯线比瑞利线强度小得多，反斯托克斯线与斯托克斯线通常称为拉曼线， △ v 称为拉曼频移，这种频移和激发线得频率无关，而是反映散射物质得特性，即物质的能级结构，因此从拉曼频移，我们就可以鉴别散射样品所包含的物质。另一方面，拉曼光谱强度，光谱线轮廓则可更多反映物质分子的信息，如物质处的浓度，温度等情况。如果进一步分析拉曼谱的偏振特性，则可以借助它方便地了解分子的排列情况，如研究丝状液晶分子的有序性等。
激光感生荧光光谱技术
激光感生诱导光谱是从经典光谱技术发展起来的一种测试方法，它的应用范围很广，可用于分子能级参数的测量，分子光谱的标识，分子常数，跃迁几率和夫兰克－康登因子的测量以及碰撞过程的研究。激光感生荧光光谱是指样品分子在入射激光照射下由于共振吸收，被激发至电子激发态的特定振转能级之后，由该上能级发出符合选择定则，向较低电子态许可能级自发辐射所形成的光谱。激光感生荧光光谱技术可应用于燃烧诊断，对火焰中各种成分的分析和温度的测定；同时还可用于研究空气中的自由基 HO 及 SO2 浓度的测定，对于搞清酸雨成因机制具有重要意义。另外，通过对地质探测中的取样介质的激光诱导荧光光谱分析，可以判断油气的存在，对于开展大面积找油具有重要的知道意义。
激光光声光谱
激光光声光谱是以激光器为光源的光声光谱新技术，它随着激光技术的发展，灵敏的电容传声器、低噪音放大器和锁相技术发展而进入一个新的时代，它创出了高灵敏度的记录，在点压强从1Torr到几个大气压中可探测到的浓度已低达ppb范围。这一技术在物理学，化学，环境科学，生物学和医学等方面都有广泛的应用。光声光谱法的实质是待测样品从光源吸收能量跃迁到激发态，然后其部分能量再以热的形式放出，并把产生的热量换成声能的一种光谱技术。该技术具有灵敏度高，分辨率好的特点，其对激光光源的要求主要表现在激光器输出的波长可变范围要宽。主要的应用领域是：大气污染检测和大气化学研究；测量荧光量子，效率；探测亚表面层中的缺陷和范氏形变等。
2.激光冷却和捕获原子
操纵和控制孤立的原子一直是物理学家追求的目标，激光冷却和捕获原子的研究，为此提供了现实的途径。激光冷却和捕获原子是利用光子迎面撞击原子，如果激光的频率和原子的固有频率相一致，就会引起原子的跃迁，原子会吸收迎面而来的光子而减少动量。与此同时，原子又会因跃迁而发射同样的光子，由于其发射的光子是朝着四面八方的，因此，每碰撞一次，原子的动量就减少一点，直至最低值。采用两两相对，沿3个正交方向的6束适当频率的激光束，就可以将原子“停留”在6束激光的交汇处，同时，再利用两个磁性线圈，给该区域加上一个可变的磁场，利用磁场对原子的特征能级的作用（塞曼效应）来克服原子的重力，就可以将原子约束在一个很小的范围内，从而实现原子的捕获。
3.粒子图像测速技术 PIV（Particle Image Velocimetry）
PIV技术是在二维流场中均匀散布跟随性、反光性良好且比重与流体相当的示踪粒子，将激光器产生的光束经透镜散射后形成厚度约1mm的片光源入射到流场待测区域，CCD摄像机以垂直片光源的方向对准该区域，利用示踪粒子对光的散射作用，记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像，形成两幅PIV底片。采用图像处理技术，用自相关或互相关统计技术求取查问区内粒子位移的大小和方向，根据脉冲间隔时间，求出粒子的速度矢量，从而对整个流场的状态进行全面的研究与分析。Photonics公司的DM系列的激光器可以实现双脉冲输出，且脉冲间隔可调，最短可达到1μs，完全可以满足此类应用。同时，由于两个脉冲由一个激光腔产生，可以很好的保证两个脉冲的一致性。而且相比于双头激光输出的装置，其光路结构简单，易于调节，具有不可比拟的优势。
4.飞秒激光器的泵浦源
随着掺钛蓝宝石激光器与啁啾脉冲放大技术的出现，大能量的飞秒激光器也得到了极大的发展。对于掺钛蓝宝石飞秒激光器而言，photonics公司的DM系列绿光激光器（波长527nm/532nm）以其较大较大的脉冲能量，优异的光束质量和较高的重复频率成为其良好的泵浦源。