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激光的根底知识 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，及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，终究它有哪些特点，又是如何产生的呢？以下我们将会阐释激光的根本特点和根 本原理。 激光的特性 高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。 〔1〕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。 〔2 〕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。 〔3 〕激光的高单色性：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能准确地聚焦到焦 点上，得到很高的功率密度。 〔4 〕激光的高相干性：相干性主要描述光波各个局部的相位关系。 正是激光具有如上所述的奇异特性因此在生活、工业加工、军事、科研等领域中得到 了广泛地应用。 激光产生原理 激光的开展有很长的历史，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 质的构造，及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，中子那么不带电。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， 图一 碳原子示意图。 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，较高的轨道那么可容纳 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根本原理。 图二 原子内电子的跃迁过 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及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 光子及释放的光子有一样的波长和相，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，最后就变成两个一样的光 子 (图二 c)。 激光根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)，