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激光的原理
来源:武汉瑞恩激光 点击次数:3646 发布时间:2010/9/9 20:05:12

     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[1]大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现,但要直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的,它一问世,就获得了异乎寻常的飞快发展,激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生,而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段,去获得空前的效益和成果,从而促进了生产力的发展。该项目在华中科技大学武汉光电国家实验室和武汉东湖中国光谷得到充分体现,也在军事上起到重大作用。
 一.物质与光相互作用的规律 
  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(或者简单地表述为处在某一个能级上)。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=△E/h(h为普朗克常量)。 
  1. 受激吸收(简称吸收) 
  处于较低能级的粒子在受到外界的激发(即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用,如与光子发生非弹性碰撞),吸收了能量时,跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。 
  2. 自发辐射 
  粒子受到激发而进入的高能态,不是粒子的稳定状态,如存在着可以接纳粒子的较低能级,既使没有外界作用,粒子也有一定的概率,自发地从高能级(E2)向低能级(E1)跃迁,同时辐射出能量为(E2-E1)的光子,光子频率 =(E2-E1)/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光,不具有相位、偏振态、传播方向上的一致,是物理上所说的非相干光。 
  3. 受激辐射、激光 
  1917年爱因斯坦从理论上指出:除自发辐射外,处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为=(E2-E1)/h的光子入射时,也会引发粒子以一定的概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这个过程称为受激辐射。 
  可以设想,如果大量原子处在高能级E2上,当有一个频率 =(E2-E1)/h的光子入射,从而激励E2上的原子产生受激辐射,得到两个特征完全相同的光子,这两个光子再激励E2能级上原子,又使其产生受激辐射,可得到四个特征相同的光子,这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。 
   
   
激光.粒子数反转 
  爱因斯坦1917提出受激辐射,激光器却在1960年问世,相隔43年,为什么?主要原因是,普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。 
  当频率一定的光射入工作物质时,受激辐射和受激吸收两过程同时存在,受激辐射使光子数增加,受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时,粒子在各能级上的分布,遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律,处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时,光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势,必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反,称为粒子数反转分布,简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。 
  理论研究表明,任何工作物质,在适当的激励条件下,可在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转。 
  若原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1,E2和E1能级上的布居数密度为N2和N1,在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光,与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此,大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时,两种过程的几率相等。在热平衡情况下N2<N1,所以自发吸收跃迁占优势,光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使N2>N1,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下,受激发射跃迁占优势。光通过一段长为l的处于粒子数反转状态的激光工作物质(激活物质)后,光强增大eGl倍。G为正比于(N2-N1)的系数,称为增益系数,其大小还与激光工作物质的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。 
  如果,把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜(其中至少有一个是部分透射的)构成的光学谐振腔中(图1),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,光强不断增长。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗δ(G0l是小信号增益系数),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(所谓自发辐射)。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(所谓受激吸收);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(所谓受激辐射)。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,那么总体而言,就会有光子射出,从而产生激光。 
编辑本段
激光的特点
  (一)定向发光 
  普通光源是向四面八方发光。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。激光器发射的激光,天生就是朝一个方向射出,光束的发散度极小,大约只有0.001弧度,接近平行。1962年,人类第一次使用激光照射月球,地球离月球的距离约38万公里,但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好,看似平行的探照灯光柱射向月球,按照其光斑直径将覆盖整个月球。 
  (二)亮度极高 
  在激光发明前,人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高,与太阳的亮度不相上下,而红宝石激光器的激光亮度,能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高,所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯(光照度的单位),颜色鲜红,激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球,产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯,人眼根本无法察觉。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内射出,能量密度自然极高。 
  (三)颜色极纯 
  光的颜色由光的波长(或频率)决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间,对应的颜色从红色到紫色共7种颜色,所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源,它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源,只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一,但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光,单色性很好,被誉为单色性之冠,波长分布的范围仍有0.00001纳米,因此氖灯发出的红光,若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见,光辐射的波长分布区间越窄,单色性越好。 
  激光器输出的光,波长分布范围非常窄,因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例,其光的波长分布范围可以窄到2×10^-9纳米,是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见,激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。 
  此外,激光还有其它特点:相干性好。激光的频率、振动方向、相位高度一致,使激光光波在空间重叠时,重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉,所以激光是相干光。而普通光源发出的光,其频率、振动方向、相位不一致,称为非相干光。 
  闪光时间可以极短。由于技术上的原因,普通光源的闪光时间不可能很短,照相用的闪光灯,闪光时间是千分之一秒左右。脉冲激光的闪光时间很短,可达到6飞秒(1飞秒等于1000万亿分之一秒)。闪光时间极短的光源在生产、科研和军事方面都有重要的用途。 
  (四)能量密度极大 
  光子的能量是用E=hv来计算的,其中h为普朗克常量,v为频率。由此可知,频率越高,能量越高。激光频率范围3.846*10^(14)Hz到7.89510(14)Hz.电磁波谱可大致分为:(1)无线电波——波长从几千米到0.3米左右,一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波;(2)微波——波长从0.3米到10^-3米,这些波多用在雷达或其它通讯系统;(3)红外线——波长从10^-3米到7.8×107米;(4)可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从780—380nm。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分;(5)紫外线——波长从3 ×10^-7米到6×10^-10米。这些波产生的原因和光波类似,常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当,因此紫外光的化学效应最强;(6)伦琴射线—— 这部分电磁波谱,波长从2×10^-9米到6×10^-12米。伦琴射线(X射线)是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的;(7)γ射线——是波长从10^-10~10^-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的,放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强,对生物的破坏力很大。由此看来,激光能量并不算很大,但是它的能量密度很大(因为它的作用范围很小,一般只有一个点),短时间里聚集起大量的能量,用做武器也就可以理解了。


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