文档介绍：漫谈激光
生工2003
贾克文
031404039
一、激光的理论基础
二、激光的产生
三、激光的应用
一、激光的理论基础
爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。该文提出了受激光辐射理论。而这正是激光理论的核心基础。因此爱因斯坦被认为是激光的理论之父。在这篇论文中,爱因斯坦区分了三种过程:受激吸收、自发辐射、受激辐射。
前两个概念是已为人所知的。这种辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的,其过程全无外界的影响,彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差,方向散乱,而受激辐射则相反。它是指处于高能级的原子在光子的“刺激”或者“感应”下,跃迁到低能级,并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。这好比清晨公鸡打鸣,一个公鸡叫起来,其他的公鸡受到“刺激”也会发出同样的声音。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率,相同的方向,完全无法区分出两者的差异。
爱因斯坦的理论在当初只是为了解决黑体辐射问题而提出的假设。但是几十年后却成了打开激光宝库的金钥匙。
那么,激光是怎样产生的?在一个原子体系中,总有些原子处于高能级,有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射,也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此,在光和原子体系的相互作用中,自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。如果想获得越来越强的光,也就是说产生越来越多的光子,就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢?我们知道,光子对于高低能级的光子是一视同的。在光子作用下,高能级原子产生受激辐射的机会和低能级原子产生受激吸收的机会是相同的。这样,是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。
这样,通过一次受激辐射,一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了,或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。
若位于高能级的原子远远多于位于低能级的原子,我们就得到被高度放大的光。但是,在通常热平衡的原子体系中,原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布率。因此,位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下,为了得到光的放大,必须到非热平衡的体系中去寻找。
所谓非热平衡体系,是指热运动并没有达到平衡、整个体系不存在一个恒定温度的原子体系。这种体系的原子数目按能级的分布不服从玻尔兹曼分布率,位于高能级上的原子数目有可能大于位于低能级上的原子数目。这种状态称为“粒子数反转”。如何才能达到粒子数反转状态呢?这需要利用激活媒质。所谓激活媒质(也称为放大媒质或放大介质),就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体,也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转,必须使用多能级系统。
在现代的激光器中,第一台激光器红宝石激光器是三能级系统,也有一些激光器采用了四能级系统,如钕玻璃激光器。
二、激光的产生
1960年7月,西奥多·梅曼在加利福尼亚的休斯空军试验室第一次制得了人造激光。这束仅持续了3亿分之一秒的红色激光标志着人类文明史上一个新时刻的来临。梅曼的激光器使用的激活媒质是一个4厘米长圆柱形红宝石棒。在红宝石棒上缠有闪光玻璃管以便让晶体受光线照耀。
这种红宝石的主要成份是混有铬离子的氧化铝。当铬离子被强烈的普通光激发时,就产生了离子数反转。这样在谐振腔的作用下就获得了第一束人造激光。
自从1960年以来,激光家族有着迅猛的增长。现在有各种不同形状不同大小的各种各样的激光器,可以产生
出不同功率、不同波长的激光。这些激光的范围包含从红外到紫外以至X射线的所有区域。可以有两种方法对激光器进行分类。
一种是从激活媒质的物质状态面分类。这样可分为气体、液体、固体和半导体激光器。
另一种方式是按激活媒质的粒子结构来分类,可以分为原子、离子、分子和自由电子激光器。氦--氖激光器产生的激光是由氖原子发射的,红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的。
激光刚刚诞生不久就被人们称为“解问题的工具”。科学家们一开始就意识到激光这种奇特的东西,将会像电力一样注定要成为这个时代最重要的技术因素。迄今为止,仅仅二十多年的初步应用,激光已经对我们的生活方式产生了重大影响。激光正实现着几年前还令人难以置信的技术奇迹。
三、激光的应用
激光广泛应用的基础在于它的特性。激光单色性好,又可在一个狭小的方向内有集中的高能量,因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。这是令人惊奇的。从红宝石激光器中输出脉冲的总能量煮不熟一个鸡蛋,但却能在 3毫米的钢板上钻出一个孔。为什么激光这么神奇呢?关键不是光的能量,而在于其功率。激光的功