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第一章激光器原理

可以肯定地说:本世纪最后的伟大发明之一是激光技术。它自一九五八年问世

以来,已经逐步地然而是坚定地渗透到了科研、军事、工业等各个领域。不是吗?看

看我们的周围,你就可以轻易地找到它应用的实例:医院中的激光诊断及激光治疗

机、商店中的条码识别器、办公室中的激光打印机、把我们与世界各地联结在一

起的光纤等等,就是在我们的家中也有它的身影:激光唱机、激光影碟机。

人类发明了多种多样的激光器。诸如:气体激光器(He-Ne激光器、CO2激光

器等、固态晶体激光器(红宝石激光器、钕玻璃激光器等、离子激光器(氪离子激

光器、氩离子激光器等、染料激光器(甲酚紫激光器、萤光素激光器等、超辐射

激光器(氮分子激光器等以及半导体激光器(砷化镓半导体二极管等等等。

在世界的许多地方,几乎所有的商品激光器都在制造业中得到越来越广泛的应

用。CO2激光器的主要用途就是各类工业激光加工设备,作为固态晶体激光器的

Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石激光器的最大应用便是在激光打标领域。

1.1激光原理

我们知道,物质是由原子组成的,而原子是由带正电的原子核和带负电的核外电

子组成的(见图1.1。每一个电子都沿着自己特定的轨道绕原子核高速旋转,其旋转

半径决定于电子所处的能级。原子吸收能量后,电子的旋转半径会增加,电子的能级

就会提高;原子释放能量后,电子的旋转半径会减小,电子的能级就会降低。每个能

级对应着一个特定的能量。电子所具有的能量是不连续的,也就是说原子的能级是

量子化的。原子只有吸收了两个能级之间差值的能量才会提高一个能级,电子在能

级之间的变动现象称为跃迁。同样,当原子跃迁到较低能级时,会释放出两个能级之

间差值的能量。原子的最低能级为E0,高的能级依次为E1、E2、E3、……,高的

能级称为上能级,低的能级为下能级。处在能级E0的原子称为基态原子,其它能级

称为激发态(见图1.2。

原子可以吸收光子来获得能量,当然这个光子必须具有与原子能级差相

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等的能量(例如:E1-E0原子只能吸收带有几个能量的光子。光子的能量决定于

光子本身的波长。所以,原子只能吸收几个特定波长的光子。正常情况下,原子吸收

能量后会在上能级停留一段时间(这一时间被称为原子的上能级寿命,然后向任意

一个方向发射一个光子并返回基态。这一现象称为原子的自发发射。对这一现象,

图1.3作了形象的描述。

图1.1原子的结构

图1.2原子的能级

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若在激发态原子的附近,恰巧有一个光子经过,这个光子又恰好具有原子上下能

级之差的能量,那么这个原子就有可能受到外来光子的激励而发出一个光子,原子自

身则在发射后返回基态。原子的这种因受到外来激励而发射的情况,称为原子的受

激发射(图1.4。原子受激发射所放出的光子与外来的激励光子在能量、波长、相

位等方面完全相同。

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以上是单个原子能级的变化情况。

对于大量原子的情况,在通常条件下,大多数原子总是分布在基态上,其余原子总

是从低能级到高能级递减分布。这一分布规律就是通常所说的波尔兹曼分布。在

图1.5中,纵坐标表示原子的能级,横坐标表示在各能级上原子的分布数量。如果我

们加热这些原子,会使处于上能级的原子数量有所增加。但不管如何加热这些原子,

在原子群达