激光入門知識(shí)

一、激光產(chǎn)生原理、普通光源的發(fā)光——受激吸收和自發(fā)輻射普通常見(jiàn)光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等地發(fā)光）是由于物質(zhì)在受到外來(lái)能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電子就會(huì)吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過(guò)程是一個(gè)“受激吸收”過(guò)程。處在高能級(jí)（E2）的電子壽命很短（一般為10—8?10—9秒），在沒(méi)有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)（E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為hu=E2-E1這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過(guò)程完全是一種隨機(jī)過(guò)程，各發(fā)光原子的發(fā)光過(guò)程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無(wú)規(guī)則的射向四面八方，另外未位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。在通常熱平衡條件下，處于高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度N2，遠(yuǎn)比處于低能級(jí)的原子數(shù)密度低，這是因?yàn)樘幱谀芗?jí)E的原子數(shù)密度N的大小時(shí)隨能級(jí)E的增加而指數(shù)減小，即N^exp（-E/kT），這是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為N2/N1^exp{-（E2-E1）/kT}式中k為波耳茲曼常量，T為絕對(duì)溫度。因?yàn)镋2>E1，所以N2《N1。例如，已知?dú)湓踊鶓B(tài)能量為E1=—13.6eV,第一激發(fā)態(tài)能量為E2=-3.4eV，在20℃時(shí)，kT弋0.025eV，貝UN2/N1^exp（—400）^0可見(jiàn)，在20℃時(shí)，全部氫原子幾乎都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光，必須外界提供能量使原子到達(dá)激發(fā)態(tài)，所以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)輻射兩個(gè)過(guò)程。一般說(shuō)來(lái)，這種光源所輻射光的能量是不強(qiáng)的，加上向四面八方發(fā)射，更使能量分散了。、受激輻射和光的放大由量子理論知識(shí)知道，一個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)電子的一個(gè)能量狀態(tài)。電子能量由主量子數(shù)n（n=1,2,?）決定。但是實(shí)際描寫原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除能量外，還有軌道角動(dòng)量L和自旋角動(dòng)量s，它們都是量子化的，由相應(yīng)的量子數(shù)來(lái)描述。對(duì)軌道角動(dòng)量，波爾曾給出了量子化公式Ln=nh，但這不嚴(yán)格，因這個(gè)式子還是在把電子運(yùn)動(dòng)看作軌道運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上得到的。嚴(yán)格的能量量子化以及角動(dòng)量量子化都應(yīng)該有量子力學(xué)理論來(lái)推導(dǎo)。量子理論告訴我們，電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)只能發(fā)生在l（角動(dòng)量量子數(shù)）量子數(shù)相差±1的兩個(gè)狀態(tài)之間，這就是一種選擇規(guī)貝。如果選擇規(guī)貝不滿足，貝躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級(jí)，一旦電子被激發(fā)到這種能級(jí)上時(shí)，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)貝，可使它在這種能級(jí)上的壽命很長(zhǎng)，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級(jí)上。這種能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。但是，在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級(jí)，并放出光子。這種過(guò)程是被“激”出來(lái)的，故稱受激輻射。受激輻射的概念世愛(ài)因斯坦于1917年在推導(dǎo)普朗克的黑體輻射公式時(shí)，第一個(gè)提出來(lái)的。他從理論上預(yù)言了原子發(fā)生受激輻射的可能性，這是激光的基礎(chǔ)。受激輻射的過(guò)程大致如下：原子開始處于高能級(jí)E2，當(dāng)一個(gè)外來(lái)光子所帶的能量hu正好為某一對(duì)能級(jí)之差E2-E1,則這原子可以在此外來(lái)光子的誘發(fā)下從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn)，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個(gè)光子，就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子。這意味著原來(lái)光信號(hào)被放大這種在受激過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級(jí)地原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激輻射躍遷才能超過(guò)受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn)，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級(jí)（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。二、激光器的結(jié)構(gòu)激光器一般包括三個(gè)部分。、激光工作介質(zhì)激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)世非常有利的?，F(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)包括從真空紫外道遠(yuǎn)紅外，非常廣泛。、激勵(lì)源為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來(lái)利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來(lái)照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。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(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。、諧振腔有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際是在激光器兩端，面對(duì)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(guò)這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)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(lái)回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。下面以紅寶石激光器為例來(lái)說(shuō)明激光的形成。工作物質(zhì)是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價(jià)鉻離子的三氧化二鋁晶體。實(shí)際是摻入質(zhì)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(lán)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(zhǎng)約8cm的圓棒。兩端面是一對(duì)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(qiáng)光激發(fā)鉻離子到達(dá)激發(fā)態(tài)E3，被抽運(yùn)到E3上的電子很快（?10—8s）通過(guò)無(wú)輻射躍遷到E2。E2是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，E2到E1的自發(fā)輻射幾率很小，壽命長(zhǎng)達(dá)10-3s，即允許粒子停留較長(zhǎng)時(shí)間。于是，粒子就在E2上積聚起來(lái)，實(shí)現(xiàn)E2和E1兩能級(jí)上的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。從E2到E1受激發(fā)射的波長(zhǎng)是694.3nm的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一個(gè)光脈沖的持續(xù)時(shí)間不到1ms，每個(gè)光脈沖能量在10J以上；也就是說(shuō)，每個(gè)脈沖激光的功率可超過(guò)10kW的數(shù)量級(jí)。注意到上述鉻離子從激發(fā)到發(fā)出激光的過(guò)程中涉及到三條能級(jí)，故稱為三能級(jí)系統(tǒng)。由于在三能級(jí)系統(tǒng)中，下能級(jí)E1是基態(tài)，通常情況下積聚大量原子，所以要達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，要有相當(dāng)強(qiáng)的激勵(lì)才行。三、激光器的種類對(duì)激光器有不同的分類方法，一般按工作介質(zhì)的不同來(lái)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(dǎo)體激光器。另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功率大小分類。、固體激光器一般講，固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。這種激光器的工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)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(jià)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(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)109W。、氣體激光器氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點(diǎn)。這也是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器，占有市場(chǎng)達(dá)60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一種。、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，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(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別適于在飛機(jī)、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(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。、液體激光器常用的是染料激光器，采用有機(jī)染料最為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機(jī)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(zhǎng)激光（在可見(jiàn)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(fù)雜。輸出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點(diǎn)，使它也得到廣泛應(yīng)用。四、激光簡(jiǎn)史和我國(guó)的激光技術(shù)自愛(ài)因斯坦1917年提出受激輻射概念后，足足經(jīng)過(guò)了40年，直到1958年，美國(guó)兩位微波領(lǐng)域的科學(xué)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(xué)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(shí)現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。他們的論文史在光學(xué)領(lǐng)域工作的科學(xué)家馬上興奮起來(lái)，紛紛提出各種實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)方案，從此開辟了嶄新的激光研究領(lǐng)域。同年蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫和普羅霍羅夫發(fā)表了《實(shí)現(xiàn)三能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)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??1960年5月15日加州休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼（T.H.Maiman）制成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，獲得了波長(zhǎng)為694.3nm的激光。梅曼是利用紅寶石進(jìn)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(shí)際他的研究早在1957年就開始了，多年的努力終于活動(dòng)了歷史上第一束激光。1964年，湯斯、巴索夫和普羅霍夫由于對(duì)激光研究的貢獻(xiàn)分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器于1961年8月在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。這臺(tái)激光器在結(jié)構(gòu)上比梅曼所設(shè)計(jì)的有了新的改進(jìn)，尤其是在當(dāng)時(shí)我國(guó)工業(yè)水平比美國(guó)低得多，研制條件十分困難，全靠研究人員自己設(shè)計(jì)、動(dòng)手制造。在這以后，我國(guó)的激光技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，并在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。1987年6月，1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)——神光裝置，在中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功，多年來(lái)為我國(guó)的激光聚變研究作出了很好的貢獻(xiàn)。（2）脈彳薊激光脈彳薊工作方式是指每^隔一定畤^才工作一次的方式。脈彳薊激光器具有較大輸出功率，遹合于激光打檄、切割、測(cè)距等。常冕的脈彳薊激光器：固tt激光器中的金Z金呂石榴石（YAG）激光器、^^石激光器、致玻璃激光器等。逮有氮分子激光器、型分子激光器等。（3）巨脈彳薊激光在腔內(nèi)人焉的加入損耗，是其大于工作物^的增益，道畤沒(méi)有激光輸出。但在泵浦源持^不斷的激勵(lì)下，激光上能級(jí)的原子數(shù)越來(lái)越多，得到了較大的粒子數(shù)反醇。如果定羲峰值功率焉脈彳薊的能量除以脈彳薊的持^畤^（脈寬），那麼，在撤除人篇加入的損耗情況下，就曾在很短的畤^內(nèi)以趣快的速度筐生脈彳薊寬度窄、峰值功率高的脈彳薊激光，常穗篇巨脈彳薊。Q^昌制技秫亍：言忍^^^潮空內(nèi)損耗。Q=w彳^存在^振腔中的能量/每秒損失的能量Q^昌制激光器：采用Q^昌制技秫亍的激光器。（4）超短脈彳薊激光二、氟t激光器以氟t或金^蒸氟作禹主要工作物^的激光器。分類尾原子氟t激光器、分子氟t激光器和蹄子氟t激光器。氟t激光器畤目前槿^最多、輸出激光波晨最瞿富、愿用最廉的一槿激光器。特黠：激光輸出波晨輪圉較寬；氟t的光擘均勻性較好，因此輸出的光束^量好，其軍色性、相干性和光束穩(wěn)定性均好。醇致了在精密^算、準(zhǔn)直、通信、雷逢、全息等方面的廉泛鷹用。氟t激光器一般用氧t放雷激勵(lì)，在直流的激光管中，必須有一他放雷的隙趣和H趣。^振腔一般采用穩(wěn)定的球面腔，一端篇全反射^，另一端即輸出端，焉部分反射^。三、半醇t激光器半醇t激光器：用半醇t材料作篇工作物^的激光器。半醇t中姓生激光的方法：P-N結(jié)注入式、霜子束激彝、光激彝以及雪崩式擎穿等。四、液t激光器激光工作物^式液t的激光器，穗焉液t激光器。主要包括螯合物激光器、輾檄液t激光器和有檄染料激光器。目前愿用比較潢泛的是有檄染料激光器。它以染料作篇激光工作物^，裝入染料盒中使用的染料，大多溶于乙醇、苯、水及其他溶剜中。激彝手段主要包括采用巨脈彳薊的激光器或采用特槿雷源裝置的陽(yáng)光燎。染料激光器褐特的輸出特性：輸出激光^女羹寞；光束彝散角??；激光輸出波晨果真移勤（可^^皆）；某雨槿染料混合可以彥生輸出心波晨的染料；激活蹄子密度大，增益彳系數(shù)高，可得到較高輸出功率。另外，^格便宜、能量醇換效率高、光擘均勻性好、冷卻方便。四、激光的生物學(xué)作用基礎(chǔ)目前認(rèn)為激光生物學(xué)作用的生物物理學(xué)基礎(chǔ)主要是光效應(yīng)、電磁場(chǎng)效應(yīng)、熱效應(yīng)、壓力與沖擊波效應(yīng)。（一）光效應(yīng)激光照射生物組織所引起的光效應(yīng)中主要決定于組織對(duì)于不同波長(zhǎng)激光的透過(guò)系數(shù)（）和吸收系數(shù)（）。不同的組織及組織中的不同物質(zhì)對(duì)于不同波長(zhǎng)的激光的透過(guò)系數(shù)和吸收系數(shù)是不同的，對(duì)組織的光效應(yīng)大小由與的乘積決定。?的積愈大，則此種激光對(duì)該組織的光效應(yīng)也愈大，例如：用于視網(wǎng)膜凝固，波長(zhǎng)為的紅寶石激光作用于視網(wǎng)膜時(shí)，-=1,這個(gè)數(shù)值比較大，故光凝固效果好，但對(duì)視網(wǎng)膜乃是波長(zhǎng)為的激光的與的乘積最大，即光效應(yīng)最佳。組織吸收了激光的量子之后可產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)、光電效應(yīng)、電子躍遷、繼發(fā)其它波長(zhǎng)的輻射（如熒光）、熱能、自由基、細(xì)胞超微發(fā)光（生物化學(xué)發(fā)光、系自由基重新結(jié)合時(shí)釋放出來(lái)的），可造成組織分解和電離，最終影響受照射組織的結(jié)構(gòu)和功能，甚至導(dǎo)致?lián)p傷。光化學(xué)反應(yīng)在光效應(yīng)中有重要的作用，普通光所引起的各種類型的光化學(xué)反應(yīng)，激光也都可引起。激光作用于活組織的光效應(yīng)大小，除激光本身的各種性能外，組織的著色程度或稱感光體（色素）的類型起著重要的作用，互補(bǔ)色或近互補(bǔ)色的作用效果最明顯。不同顏色的皮膚，不同顏色的臟器或組織結(jié)構(gòu)對(duì)激光的吸收可有顯著差異。在醫(yī)療和基礎(chǔ)研究中，為增強(qiáng)激光對(duì)組織的光效應(yīng)，可采用局部染色法，并充分利用互補(bǔ)色作用最佳這一特點(diǎn)。另一方面，也可利用此法限制和減少組織對(duì)激光的吸收。（二）熱效應(yīng)激光的本質(zhì)是電磁波，若其傳播的頻率與組織分子等的振動(dòng)頻率相等或相近，就將增強(qiáng)其振動(dòng)，這種分子振動(dòng)即產(chǎn)生熱的機(jī)理，故也稱熱振動(dòng)。在一定的條件下作用于組織的激光能量多轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽薀嵝?yīng)是激光對(duì)組織作用的重要因素。分子熱運(yùn)動(dòng)波長(zhǎng)主要表現(xiàn)在紅外線波段附近，因此二氧化碳激光器輸出的紅外激光對(duì)組織的熱作用甚強(qiáng)烈，一定類型和功率的激光照射生物組織時(shí)，在幾毫秒內(nèi)可產(chǎn)生?00上的高溫，這是因?yàn)榧す?，特別是聚焦激光能夠在微細(xì)的光束內(nèi)集中極大的能量，例如：數(shù)十焦耳的紅寶石激光或釹玻璃激光聚焦于組織微區(qū)，能在數(shù)毫秒內(nèi)使該區(qū)產(chǎn)生數(shù)百度的高溫，以致破壞該部位的蛋白質(zhì)，造成燒傷或氣化，而數(shù)十焦耳的普通光是根本無(wú)此作用的。此外，還發(fā)現(xiàn)激光引起的升溫，當(dāng)停止照射后，其下降的速度比任何方式引起的升溫下降速度慢，例如：數(shù)十焦耳紅寶石或釹玻璃脈沖激光引起的升溫要下降到原正常溫度，約需數(shù)十分鐘。（三）壓強(qiáng)效應(yīng)當(dāng)一束光輻射到某一物體時(shí)，在物體上產(chǎn)生輻射壓力，激光比普通光的輻射壓力強(qiáng)的多。若焦點(diǎn)處的能量密度為10瓦8/平方厘米，其壓力為40克/平方厘米；當(dāng)激光束聚焦到0.毫2米以下的光點(diǎn)時(shí)，壓力可達(dá)20克0/平方厘米；用10瓦7巨脈沖紅寶石激光照射人體或動(dòng)物的皮膚標(biāo)本時(shí)，產(chǎn)生的壓力實(shí)際測(cè)定為公斤/平方厘米。當(dāng)激光束照射活組織時(shí)，由于單位面積上的壓力很大，故活體組織表面的壓力傳入到組織內(nèi)部，即組織上輻射的部分激光的能量變?yōu)闄C(jī)械壓縮波，出現(xiàn)壓力梯度。如果激光束壓力大到能使照射的組織表面粒子蒸發(fā)的程度，則噴出活組織粒子，并導(dǎo)致同噴出的粒子運(yùn)動(dòng)方向相反的機(jī)械脈沖波（反沖擊）——沖擊波出現(xiàn)，這種沖擊波可使活組織逐層噴出不同數(shù)量的粒子，最后形成圓錐形“火山口”狀的空陷。除上述由于