激光的基礎(chǔ)知識(shí)

激光的基礎(chǔ)知識(shí)相信激光這名詞對(duì)大家來(lái)說(shuō)一點(diǎn)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(jì)算機(jī)或音響組合中用來(lái)讀取光盤(pán)資料的光驅(qū)等等。在工業(yè)上，激光常用于切割或微細(xì)加工。在軍事上，激光被用來(lái)攔截導(dǎo)彈?？茖W(xué)家也利用激光非常準(zhǔn)確地測(cè)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(diǎn)，又是如何產(chǎn)生的呢？以下我們將會(huì)闡釋激光的基本特點(diǎn)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(dá)10112。不僅如此，具有高亮度的激光束經(jīng)透鏡聚焦后，能在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬(wàn)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(zhǎng)距離的同時(shí)，還能保證聚焦得到極高的功率密度，這兩點(diǎn)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(diǎn)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(gè)部分的相位關(guān)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(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。激光產(chǎn)生原理&質(zhì)子目中子碳原子原理早在1917年已被著名的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到19583&質(zhì)子目中子碳原子原理早在1917年已被著名的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到19583電子+質(zhì)子圖一碳原子示意圖。年激光才被首次成功制造。激光英文名是，即的縮寫(xiě)。激光的英文全名已完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。但在闡釋這個(gè)過(guò)程之前，我們必先了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，與及光的輻射和吸收的原理。物質(zhì)由原子組成。圖一是一個(gè)碳原子的示意圖。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布滿著帶負(fù)電的電子，繞著原子核運(yùn)動(dòng)。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(xué)告訴我們，這些電子會(huì)處于一些固定的「能級(jí)」，不同的能級(jí)對(duì)應(yīng)于不同的電子能量。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們可以如圖一所示，把這些能級(jí)想象成一些繞著原子核的軌道，距離原子核越遠(yuǎn)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(gè)電子，較高的軌道則可容納8個(gè)電子等等。事實(shí)上，這個(gè)過(guò)份簡(jiǎn)化了的模型并不是完全正確的[1]，但它足以幫助我電子可以透過(guò)吸收或釋放能量從一個(gè)能級(jí)躍遷至另一個(gè)能級(jí)。例如當(dāng)電子吸收了一個(gè)光子[2]時(shí)，它便可能從一個(gè)較低的能級(jí)躍遷

至一個(gè)較高的能級(jí)（圖二a）。同樣地，一個(gè)位于高能級(jí)的電子也會(huì)透過(guò)發(fā)射一個(gè)光子而躍遷至較低的能級(jí)（圖二b）。在這些過(guò)程中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能級(jí)的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長(zhǎng)，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。當(dāng)原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能階時(shí)，整個(gè)原子的能量最低，我們稱(chēng)原子處于基態(tài)。圖一顯示了碳原子處于基態(tài)時(shí)電子的排列狀況。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)電子處于較高的能階時(shí)，我們稱(chēng)原子處于受激態(tài)。前面說(shuō)過(guò)，電子可透過(guò)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(guò)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(guò)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(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長(zhǎng)和相，此波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)能階的能量差。一個(gè)光子誘發(fā)一個(gè)原子發(fā)射一個(gè)光子，最后就變成兩個(gè)相同的光子（圖二c）。激光基本上就是由第三種躍遷機(jī)制所產(chǎn)生的。原子基蔥圖三粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀產(chǎn)生激光還有一個(gè)巧妙之處,就是要實(shí)現(xiàn)所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)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(shí)間非常短，大約10-7秒后，它便會(huì)落到一個(gè)稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)的中間狀態(tài)。原子停留在亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間很長(zhǎng)，大約是10-3秒或更長(zhǎng)的時(shí)間。電子長(zhǎng)時(shí)間留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)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(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵，因?yàn)樗雇高^(guò)受激輻射由亞穩(wěn)態(tài)回到基態(tài)的原子，比透過(guò)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(zhì)內(nèi)的光子可以增多，以輸出激光。原子基蔥圖三粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀激光器的結(jié)構(gòu)激光器一般包括三個(gè)部分。1、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。2、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(chēng)為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來(lái)照射工作介質(zhì)，稱(chēng)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(chēng)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。

3、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0.8、長(zhǎng)約8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（僅少量光可以透肘）小，壽命長(zhǎng)達(dá)10-3s，即允許粒子停留較長(zhǎng)時(shí)間。（僅少量光可以透肘）于是，粒子就在E2上積聚起來(lái)，實(shí)現(xiàn)E2和E1兩圖四激光器結(jié)構(gòu)圖能級(jí)上的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。從E2到E1受激發(fā)射的波長(zhǎng)是694.3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1，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)10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(chēng)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。從上面的敘述中我們注意到，激光器要工作必須具備三個(gè)基本條件，即激光物質(zhì)、光諧振器和泵浦源，其基本結(jié)構(gòu)如圖四所示。通過(guò)泵浦源將能量輸入激光物質(zhì)，使其實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由自發(fā)輻射產(chǎn)生的微弱的光在激光物質(zhì)中得以放大，由于激光物質(zhì)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(lái)再參加激勵(lì)，這時(shí)被激勵(lì)的光就產(chǎn)生振蕩，經(jīng)過(guò)多次激勵(lì)，從右端反射鏡中投射出來(lái)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(lèi)型的激光器在發(fā)光物質(zhì)、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(jìn)行分類(lèi)的。激光器的種類(lèi)對(duì)激光器有不同的分類(lèi)方法，一般按工作介質(zhì)的不同來(lái)分類(lèi)，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。1、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（）晶體中摻入三價(jià)釹離子的激光器，它發(fā)射1060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。2、 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(lèi)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。3、 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840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(chē)輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤(pán)技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)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(jī)染料為工作介質(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。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（）和肖洛（）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(kāi)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（）制成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，獲得了波長(zhǎng)為694.3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(kāi)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)