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激光的基础知识
第六课 激光的基础知识
相信激光这名词对大家来说一点也不陌生。在日常生活中,我们常常接触到激光,例如在课堂上我们所用的激光指示器,与及在计算机或音响组合中用来读取光盘资料的光驱等等。在工业上,激光常用于切割或微细加工。在军事上,激光被用来拦截导弹。科学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离,涉及的误差只有几厘米。激光的用途那么广泛,究竟它有哪些特点,又是如何产生的呢?以下我们将会阐释激光的基本特点和基本原理。
激光特性高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
激光的高亮度:固体激光器的亮度更可高达 1011W/cn2Sr 。不仅如此,具有高亮度的激光束经透镜聚焦后,能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温,这就使其可能可加工几乎所有的材料。
激光的高方向性:激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时,还能保证聚焦得到极高的功率密度,这两点都是激光加工的重要条件。
激光的高单色性:由于激光的单色性极高,从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上,得到很高的功率密度。
激光的高相干性:相干性主要描述光波各个部分的相位关系。正是激光具有如上所述的奇异特性因此在工业加工中得到了广泛地应用。
激光产生原理激光的发展有很长的历史,它的原理早在 1917 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现,但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光英文名是 Laser,即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的缩写。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。但在阐释这个过程之前,我们必先了解物质的结构,与及光的辐射和吸收的原理。
物质由原子组成。图一是一个碳原子的示意图。原子的中心是原子核,由质子和中子组成。质子带有正电荷,中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子,绕着原子核运动。有趣的是,电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们,这些电子会处于一些固定的「能级」,不同的能级对应于不同的电子能量。为了简单起见,我们可以如图一所示,把这些能级想象成一些绕着原子核的轨道,距离原子核越远的轨道能量越高。此外,不同轨道最多可容纳的电子数目也不同,例如最低的轨道 (也是最近原子核的轨道) 最多只可容纳 2 个电子,较高的轨道则可容纳 8 个电子等等。事实上,这个过份简化了的模型并不是完全正确的 [1],但它足以帮助我们说明激光的基本原理。
电子可以透过吸收或释放能量从一个能级跃迁至另一个能级。例如当电子吸收了一个光子 [2] 时,它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级 (图二 a)。同样地,一个位于高能级的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能级 (图二 b)。在这些过程中,电子吸收或释放的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长,因此,吸收或释放的光具有固定的颜色。
当原子内所有电子处于可能的最低能阶时,整个原子的能量最低,我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时,我们称原子处于受激态。前面说过,电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种形式﹕
(1)自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 (图二 a)。
(2)自发辐射 - 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 (图二 b)。
(3)受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶,并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相,此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子,最后就变成两个相同的光子 (图二 c)。
激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。
产生激光还有一个巧妙之处,就是要实现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光为例 (图三),原子首先吸收能量,跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短,大约 10-7秒后,它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留在亚稳态的时间很长,大约是 10-3秒或更长的时间。电子长时间留在亚稳态,导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目,此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键,因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子,比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多,从而保证了介质内的光子可以增多,以输出激光。
激光器的结构激光器一般包括三个部分。1、激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质,可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转,以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在,对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种,可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外,非常广泛。2、激励源为了使工作介质中出现粒子数反转,必须用一定的方法去激励原子体系,使处于
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