激光是什麼

激光的英文名字是 laser,是“light amplification by stimu1ated emissinn of radiation”的首字母縮寫。激光與普通的陽光、燭光、燈光所發出的光(或稱熒光)不一樣。研究表明:

光具有波料二象性,即:既可把光看作是一種頻率很高的電磁波(10赫茲),也可把光看成是一個粒子,即光量子,簡稱光子。光子能量為hυ,h為普朗克常量,υ為光的頻率。υ=c/λ,λ為光的波長。一般情況下,光由許多光子組成,在熒光中,光子與光子之間,毫無關聯,即波長不一樣、相位不一樣、偏振方向不一樣、傳播方向不一樣。而在激光光束中,所有光子都是相互關聯的,即它們的頻率(或波長)一致、相位一致、偏振方向一致、傳播方向一致。激光就好像是一支紀律嚴明的光子部隊,行動一致,因而有著極強的戰鬥力!而普通的太陽光、燈光、燭光,則是一支無組織、無紀律的光子部隊,各光子都是散兵遊勇,不能做到行動一致,因而缺乏戰鬥力。這就是為什麼許多事情激光能做,而陽光、燈光、燭光不能做的主要原因。

世界上的第一台激光器是1960年5月發明的,第二年,我國也研製成功了第一台激光器。這一具有極高亮度、極好單色性和極好方向性的新型激光的出現,開創了一個光學新時代,在學術界引起了強烈反響。但是,直到1964年底,我國還沒有一個統一的、大家認同的名字。當時,有人根據laser的發音稱它為“萊塞”或“鐳射”,我國台灣、香港地區和若幹東南亞國家至今還在應用這名詞;有人根據laser的英文含義,稱它為“光受激發射放大器”;也有人根據這種新光源是從微波激射器演變而來的這一曆史事實,把它稱作“光激射器”。此時,還有“光量子放大器”、“光量子振蕩器”等。同一樣東西,叫法如此之多,會造成混亂,不利於學術交流,也不利於發展激光技術應用。1964年12月,我國著名科學家錢學森給《光受激輻射》雜誌編輯部寫信說:

“我有一個小建議,光受激幅射這個名稱似乎太長,說起來費事。能不能就稱‘激光’?”錢教授的建議在全國第三屆光受激輻射學術會議上得到全體代表的讚同,從此,在我國的學術論文、新聞報道中,就統一使用激光、激光器這樣的名稱了。

簡單地說,激光就是由受激輻射所產生的光,激光光束中的所有光子都是相互關聯的,它們頻率一致、相位一致、偏振方向一致、傳播方向一致,用科學術語表達就是:激光是單色性、方向性極好、亮度極高的光源,由於激光有著許多普通光源所沒有的迷人特點,從而,廣泛地用於人類生活各領域,在國民經濟各部門,為經濟發展社會進步做出了不可估量的貢獻。

激光的物理基礎

大家知道:原子是由原子核和電子組成的,原子核較重,帶正電,位於原子中心;電子較輕,帶負電,繞核不停運動。研究表明,電子隻能在一定的原子軌道上運動,對於不同的軌道,電子具有不同的能量。

當外來光子的能量大於或等於原子的兩個能級差時,就會把原子從低能態激發到高能態,這個過程稱為受激吸收躍遷,處在激發態的原子,隨後又在很短(約10-7秒)的時間內,返回基態,或者較低能態,並伴隨著發出光子。處於激發態的原子在沒有受到外來光子作用而躍遷回低能態,並同時發出光輻射的過程稱為自發輻射躍遷,它產生的光輻射稱為自發輻射,或稱熒光。

1916年,著名物理學家愛因斯坦在研究光輻射與原子相互作用時發現:除了受激吸收躍遷、自發輻射躍遷這兩種過程之外,還存在第三種過程——受激輻射躍遷,即在能量相應於兩個能級差的外來光子作用下,會誘導處在高能態的原子向低能態躍遷,並同時發射出能量相同的光子。由受激發射躍遷所產生的光子具有如下特性:它的頻率、相位、傳播方向、偏振方向,都與誘導產生這種躍遷的光子相同。也就是說,受激輻射具有很好的相幹性和方向性。

受激輻射是產生激光的基礎,沒有受激輻射,就沒有激光。但是,由於在普通光源中,自發輻射躍遷速率總是比受激輻射躍遷速率大得多,因而所產生的光輻射大部分是自發輻射。正是由於這個原因,愛因斯坦當初提出的受激輻射概念並沒有受到人們的高度重視。

對激光的渴求

愛因斯坦從理論上闡明了受激輻射的存在,現實生活也使人們認識到相幹光的重要性。

在第二次世界大戰中,雷達所起的傑出作用給科學家們留下了深刻的印象,以致在戰爭結束後,對雷達的研究工作一刻也沒有停止過。雷達不僅在軍事上有重要應用,而且在國民經濟建設中,如氣象預報、飛機和輪船導航等,也是非常重要的工具。雷達的空間分辨本領,即能區分的最小物體長度,與使用的電磁波波長有關,θ=1.22λ/D,其中θ為電磁波的衍射角,D是電磁波束的直徑。波長長的電磁波,衍射角大,空間分辨率低。比如,用波長為1米的雷達可區分長度為10米的物體,那麼用波長為1毫米的電磁波就能區分長度為1厘米的物體。但是,要得到波長為厘米或毫米的單位電磁波非常困難,因為製造相同尺度的電磁波振蕩器加工很難,而且所能得到的電磁波功率也不高。