激光的基礎知識

1、激光的基礎知識相信激光這名詞對大家來說一點也不陌生。在日常生活中，我們常常接觸到激光，例 如在課堂上我們所用的激光指示器，與及在計算機或音響組合中用來讀取光盤資料的光驅 等等。在工業(yè)上，激光常用于切割或微細加工。在軍事上，激光被用來攔截導彈?？茖W家 也利用激光非常準確地測量了地球和月球的距離，涉及的誤差只有幾厘米。激光的用途那 么廣泛，究竟它有哪些特點，又是如何產(chǎn)生的呢？以下我們將會闡釋激光的基本特點和基 本原理。激光的特性高亮度、高方向性、高單色性和高相干性是激光的四大特性。（1 ）激光的高亮度：固體激光器的亮度更可高達1011W/cn2Sr。不僅如此，具有高亮度的激光束經(jīng)透鏡聚焦后，能在焦

2、點附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。（2 ）激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地傳遞較長距離的同時，還能 保證聚焦得到極高的功率密度，這兩點都是激光加工的重要條件。（3）激光的高單色性：由于激光的單色性極高，從而保證了光束能精確地聚焦到焦 點上，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個部分的相位關系。正是激光具有如上所述的奇異特性因此在生活、工業(yè)加工、軍事、科研等領域中得到 了廣泛地應用。激光產(chǎn)生原理激光的發(fā)展有很長的歷史，它的原理早在 現(xiàn)，但要直到1958年激光才被首次成功制造。 by the Stimulated Emissi

3、 on of Radiati on 的縮寫。 激光的英文全名已完全表達了制造激光的主要 過程。但在闡釋這個過程之前，我們必先了解物 質的結構，與及光的輻射和吸收的原理。物質由原子組成。圖一是一個碳原子的示 意圖。原子的中心是原子核，由質子和中子組成。 質子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布 滿著帶負電的電子，繞著原子核運動。有趣的是, 電子在原子中的能量并不是任意的。描述微觀世界的量子力學告訴我們，這些電子會處于一些固1917年已被著名的物理學家愛因斯坦發(fā) 激光英文名是Laser，即 Light Amplification圖一碳原子示意圖定的能級，不同的能級對應于不同的電子能 量。為了簡單

4、起見，我們可以如圖一所示， 把這 些能級想象成一些繞著原子核的軌道，距離原子核越遠的軌道能量越高。此外，不同軌道最多可容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道 （也是最近原子核的軌道）最多只可容納 2個電子，較高的軌道則可容納8個電子等等。事實上，這個過份簡化了的模型并不是完全正確的1，但它足以幫助我們說明激光的基本原理。自發(fā)吸吹自發(fā)腿射旻鍛輻射(a)(b)(c)圖二原子內(nèi)電子的躍遷過電子可以透過吸收或釋放能量從一個能級躍遷至另一個能級。例如當電子吸收了一個光子2時，它便可能從一個較低的能級躍遷至一個較高的能級（圖二a）。同樣地，一個位于高能級的電子也會透過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能級（圖二b）

5、。在這些過程中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能級的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長， 因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。當原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能階時，整個原子的能量最低，我們稱原子處于基 態(tài)。圖一顯示了碳原子處于基態(tài)時電子的排列狀況。當一個或多個電子處于較高的能階時， 我們稱原子處于受激態(tài)。前面說過，電子可透過吸收或釋放在能階之間躍遷。躍遷又可分 為三種形式：（1）自發(fā)吸收-電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階（圖二a）。（2）自發(fā)輻射-電子自發(fā)地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階（圖二b）。（3）受激輻射-光子射入物質誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。入射光子與

6、釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應于兩個能階的能量 差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩個相同的光 子（圖二c）。激光基本上就是由第三種躍遷機制所產(chǎn)生的。基感產(chǎn)生激光還有一個巧妙之處，就是要實 現(xiàn)所謂粒子數(shù)反轉的狀態(tài)。以紅寶石激光為 例（圖三），原子首先吸收能量，躍遷至受激 態(tài)。原子處于受激態(tài)的時間非常短，大約10-7秒后，它便會落到一個稱為亞穩(wěn)態(tài)的中間狀 態(tài)。原子停留在亞穩(wěn)態(tài)的時間很長，大約是 10-3秒或更長的時間。電子長時間留在亞穩(wěn)態(tài)，導致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的 原子數(shù)目，此現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉。粒子數(shù)反轉是產(chǎn)生激光的關鍵，因為它使透過受激圖三 粒子數(shù)反轉的狀輻射

7、由亞穩(wěn)態(tài)回到基態(tài)的原子，比透過自發(fā)吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證了介質內(nèi)的光子可以增多，以輸出激光。激光器的結構激光器一般包括三個部分。1、激光工作介質激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體。在這種介質中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉世非常有利的。現(xiàn)有工作介質近千種，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外道遠紅外， 非常廣泛。2、激勵源為了使工作介質中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來

8、照射工作介質，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激 勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。 為了不斷得到激光輸出， 必須不斷地 泵浦”以維持處于 上能級的粒子數(shù)比下能級多。3、諧振腔有了合適的工作物質和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強度很弱，無法實際應用。于是人們就想到了用光學諧振腔進行放大。所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、 少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生 強烈的激光，從部分反

9、射鏡子一端輸出。下面以紅寶石激光器為例來說明激光的形成。工作物質是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價鉻離子的三氧化二鋁晶體。實際是摻入質量比約為0.05%的氧化鉻。由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍光，所以寶石呈粉紅色。1960年梅曼發(fā)明的激光器所產(chǎn)用的紅寶石是一根直徑0.8cm、長約8cm的圓棒。兩端面是一對平行平面鏡，一端鍍上全反射膜，一端 有10%的透射率，可讓激光透出。紅寶石激光器中，用高壓氙燈作泵浦”利用氙燈所發(fā)出的強光激發(fā)鉻離子到達激發(fā)態(tài)E3,被抽運到 E3上的電子很快（10-8s）通過無輻射躍遷到E2。E2是亞穩(wěn)態(tài)能級，E2到E!的自發(fā)輻射幾率很小，壽命長達10-3s，即允許粒子停留

10、較長時間。于是，粒子就在E2上積聚起來，實現(xiàn) E2和Ei兩能級上的粒子數(shù)反轉。從E2到Ei受激發(fā)射的波長是 694.3nm的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一個光脈沖的持續(xù)時間不到1ms,每個光脈沖能量在10J以上；也就是說，每個脈沖激光的功率可超過10kW的數(shù)量級。注意到上述鉻離子從激發(fā)到發(fā)出激光的過程中涉及到三條能級，故稱為三能級系統(tǒng)。由于在三能級系統(tǒng)中,圖四 激光器結構圖下能級E1是基態(tài)，通常情況下積 聚大量原子，所以要達到粒子數(shù)反 轉，要有相當強的激勵才行。從上面的敘述中我們注意到，激光器要工作必須具備三個基 本條件，即激光物質、光諧振器和 泵浦源，其基本結構如圖四所示。通過泵

11、浦源將能量輸入激光物質，使其實現(xiàn)粒子數(shù)反轉， 由自發(fā)輻射產(chǎn)生的微弱的光在激光物質中得以放大，由于激光物質兩端放置了反射鏡，有一部分符合條件的光就能夠反饋回來再參加激勵，這時被激勵的光就產(chǎn)生振蕩，經(jīng)過多次激勵，從右端反射鏡中投射出來的光就是單色性、方向性、相干性都很好的高亮度的激光。 不同類型的激光器在發(fā)光物質、反射鏡以及泵浦源等方面所用材料有所區(qū)別，下文提到的各種激光器也正是基于這些不同進行分類的。激光器的種類對激光器有不同的分類方法，一般按工作介質的不同來分類， 在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器。1、固體激光器一般講，固體激光器具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率大

12、的特點。這種激光器 的工作介質是在作為基質材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子， 除了前面介紹用紅寶 石和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴石 （YAG ）晶體中摻入三價釹離子的激光器， 它發(fā)射 1060nm 的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達 100W 以上，脈沖峰值功率可達 109W。2、氣體激光器氣體激光器具有結構簡單、造價低；操作方便；工作介質均勻，光束質量好；以及能 長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點。 這也是目前品種最多、 應用廣泛的一類激光器， 占有市場 達 60 左右。其中，氦氖激光器是最常用的一種。3、半導體激光器半導體激光器是以半導體材料作為工作介質的。目前較成熟的是砷化鎵激光器

13、，發(fā)射840nm 的激光。 另有摻鋁的砷化鎵、 硫化鉻硫化鋅等激光器。 激勵方式有光泵浦、 電激勵等。 這種激光器體積小、質量輕、壽命長、結構簡單而堅固，特別適于在飛機、車輛、宇宙飛船 上用。在 70 年代末期，由于光纖通訊和光盤技術的發(fā)展大大推動了半導體激光器的發(fā)展。4、液體激光器常用的是染料激光器， 采用有機染料為工作介質。 大多數(shù)情況是把有機染料溶于溶劑中 （乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光 （在可見光范圍） 。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液 體激光器工作原理比較復雜。 輸出波長連續(xù)可調， 且覆蓋面寬是它的優(yōu)點

14、， 使它也得到廣泛 應用。激光簡史和我國的激光技術自愛因斯坦 1917 年提出受激輻射概念后，足足經(jīng)過了 40 年，直到 1958 年，美國兩 位微波領域的科學家湯斯（ C.H.Townes ）和肖洛（ A.I.Schawlaw ）才打破了沉寂的局面，發(fā) 表了著名論文紅外與光學激射器 ，指出了受激輻射為主的發(fā)光的可能性，以及必要條件 事實現(xiàn) “粒子數(shù)反轉 ”。他們的論文史在光學領域工作的科學家馬上興奮起來， 紛紛提出各種 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的實驗方案，從此開辟了嶄新的激光研究領域。同年蘇聯(lián)科學家巴索夫和普羅霍羅夫發(fā)表了實現(xiàn)三能級粒子數(shù)反轉和半導體激光器建議論文，1959年9月湯斯又提出了制造紅寶石激光器的建議 I960年5月15日加州 休斯實驗室的梅曼 （T.H.Maiman ）制成了世界上第一臺紅寶石激光器， 獲得了波長為 694.3nm 的激光。 梅曼是利用紅寶石進體做發(fā)光材料， 用發(fā)光密度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源 （如圖 所示），實際他的研究早在 1957 年就開始了， 多年的努力終于活動了歷史上第一束激光。 1964 年，湯斯、巴索夫和普羅霍夫由于對激光研究的貢獻分享了諾貝爾物理學獎。中國第一臺紅寶石激光器于 1961 年 8 月在中國科學院長春光學精密機械研