激光的單色性
無論是在生活與工農業生產上,還是科學研究中,常常都需要單種顏色的光。而普通光源發出的光,顏色都比較混雜,不但有可見光,還有不可見的紅外線和紫外線。在普通光源中單色性最好的是氪燈,它發出的紅光分布的波長範圍隻有9.5×10-14米,被譽為“單色性之冠”。激光的單色性遠遠超過這個“單色性之冠”許多倍,如氨氖激光器輸出的紅光波長範圍可以窄到2×10-18米,是氪燈發射的紅光波長範圍的1/50000。
激光的相幹性
普通光源發出的光波在頻率、相位和傳播方向上是很不相同的,稱為非相幹光。而激光器發出的光具有同方向、同頻率、同位相或位相差恒定的特點,因此具有很好的相幹性。普通單色光源的相幹長度(衡量光源相幹性的好壞的物理名詞,即產生幹涉效應的兩分光束的最大光程差)的數量級在10-3~10-1。米範圍內,激光器的相幹長度可達180千米。
激光的閃光時間
在生產和科研中,也常常需要閃光時間很短的光源,利用它可以幫助我們了解變化非常迅速的過程。普通光源的閃光時間不短,照相用的閃光燈的閃光時間是1/1000秒左右。脈衝激光的閃光時間很短,可以達到6×10-15秒。
激光的發現與發展
當代科技的四大發明之一——激光
激光是20世紀最重大的科學技術成就之一。它的出現,標誌著人類對光的認識和利用進入了一個新階段,使古老的光學學科煥發出青春,推動了現代光學應用技術的革命性進展。激光從發明到應用的時間比任何技術發明的應用周期都短,從世界上第一台激光器出現,到實際應用,僅一年時間。由於激光技術廣泛應用於許多尖端領域和國民經濟部門,並取得了相當好的經濟效益和社會效益。因此,它成為當前最活躍的高新技術之一,並與原子能、半導體、電子計算機一起被譽為當代科技的四大發明。
愛因斯坦奠定了激光器理論
世界上第一台激光器於1960年發明。然而,關於激光器的基礎理論早在1919年就由著名科學家愛因斯坦奠定了。愛因斯坦在研究電磁波與原子係統相互作用時,提出了受激發射理論。這是激光理論的核心,是激光器得以發明和發展的理論基石。
激光器的基三結構
激光器由工作物質、泵浦源、諧振腔三部分組成。
工作物質是發射激光的材料,其功能和普通光源的發光材料(如白熾燈中的鎢絲)相同。一般說來,任何光學透明的固體、氣體、液體都可以作為激光器的工作物質。但是,如果所選用的材料其原子能級結構能滿足某些要求,那麼將使激光器獲得諸如輸出激光的功率高、輸出激光的波長可連續變化等更好的性能。
泵浦源是向工作物質輸入能量,把原子從基態泵浦至高能級狀態的能源。常用的泵浦源有:普通光源(如氙燈、氪燈);氣體放電(利用氣體放電中產生的電子碰撞氣體原子,把它泵浦至高能級);電子束;化學反應能(化學激光器就是利用化學反應的能量泵浦原子的產物)等。
諧振腔是由放置在工作物質兩端的反射鏡組成的係統,其中一塊反射鏡的反射率接近100%;另一塊有適量的透過率,激光就從這塊反射鏡輸出來。諧振腔的作用主要有兩個方麵:一個是讓工作物質產生的受激輻射來回多次通過工作物質,增強受激強度,最後達到激光振蕩;另一個是有選擇地隻讓沿工作物質光軸附近傳播的以及波長在原子譜線中心附近的受激輻射不斷地受到工作物質放大,達到激光振蕩。顯然這有助於改善激光器的方向性和單色性。
新激光器的發明
繼1960年發明紅寶石固體激光器後,1961年美國科學家賈萬發明氦氖氣體激光器,1962年霍爾發明半導體激光器,1966年出現了頻率可調的連續染料激光器。
世界上第一台激光器
1960年8月28日,人們第一次可以輕鬆地看到激光了。這種儀器是由美國休斯研究實驗室的西奧多·梅曼研製的。這種稱為“微波激射器”的儀器要歸功於美國物理學家查爾斯·湯斯,因為它是在湯斯的“激光器”的基礎上研製的。更有趣的是,“激光紅寶石激光器剖麵圖器”這一發明竟然是湯斯在一次等待餐館開門時而即興想出來的主意。