VC++激光测距机能量测试系统设计(2)

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4.5 串口通信编程的具体实现过程 19

结论 24

致谢 25

参考文献 26

1 引言

1.1 激光的原理

1.1.1 激光的基础知识

“激光”是“LASER”的意译。量子力学认为，原子具有分立的能级结构，一个原子中最低的能级称为基态，其余的称为高能态。当原子处于热平衡的系统中的时候，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。正常情况下原子大部分处在基态，当有外界刺激的时候，可以激发到高能态上去。

1.1.2 激光产生的理论基础

（1）光的三种辐射方式

1917年，爱因斯坦在题为《关于辐射的量子理论》的著名论文中，首次指出了自发辐射和受激辐射的概念：如果将光看做粒子——光量子，则光辐射场与物质相互作用，就产生粒子的跃迁过程，包括自发辐射、受激吸收和受激辐射三种类型的跃迁。实际上，这三种跃迁中光与物质的相互作用过程都属于共振相互作用过程，即：光波频率等于原子谐振频率时，原子中电子的本征状态发生改变的作用过程。

原子或分子的能量状态只能取分立数值，能量最低的状态称基态，能量比基态高的状态称激发态。一般原子处于基态，当有外界刺激，也就是外界给予一定的能量的时候，原子会吸收吸收这个能量跃迁到激发态上去。而这些高能态上的原子是不稳定的，它们会自发的返回到低能态上并且辐射出光子，这就是自发辐射。假设某原子起初位于能级E2，因为E2>E1，因此它不稳定，即使没有任何的外界光信号的作用，也将在某一时刻自发的跃迁到E1上去，同时辐射出一个光子，

如图1.1所示，光子能量为hv=E2-E1,这种自发辐射完全是一种随机过程。

自发辐射原理图

图1.1 自发辐射原理图

而受激吸收也就是指处于低能级的原子吸收特定频率的外来光能后跃迁到高能级上。如图1.2所示，处于低能级E1上的原子，在频率恰等于（E2-E1）/h的外来光信号的作用下，能从外界光信号中吸收一份能量（hv）后跃迁到激发态E2上去，这种过程称之为受激吸收过程。

图1.2 受激吸收原理图

与受激吸收相对应的是受激辐射，处于激发态E2上的原子，在频率为v的外界光信号作用下，从E2能级跃迁到E1能级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为hv、与外界光信号处于同一状态的光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程，而激光的发光机理正是受激辐射发光，如图1.3所示。

图1.3 受激辐射原理图

（2）激光产生的必要条件

a、当光束通过原子或者分子的时候，总是同时存在着受激发射和受激吸收两个相互对立的过程，前者使入射光强增加，后者使光束强度减弱。在热平衡状态下，低能级的粒子数目总是多于高能级的粒子数目，所以，一般情况下，受激吸收比远大于受激发射。很显然为得到激光，必须使受激辐射压倒受激吸收，也就是使高能级粒子数目多于低能级的数目，从而实现粒子数反转。