激光與普通的光有什麼不同?為什麼說它是一種特殊的光?
要說明這個問題,我們必須要了解原子的微觀結構和性質。
我們知道,組成物質的原子是由原子核和外層運動著的電子組成。原子的能量是不連續的,是按一定的原子能級分布的。一般情況下,大多數原子都處於基態低能級,當外界給予原子一定的能量時,就有可能把電子送到較外層的軌道上去(越外層的電子運動越快),這時原子也就相應地從低能級躍遷到高能級。
原子處於高能態時是不穩定的,它有返回低能態的趨勢。當原子自發地從高能態跳同到低能態時,就將多餘的能量以光子的形式輻射出來,這叫做自發輻射。如果處在高能態的原子,在外部光能“刺激”下跳同到低能態,就需要外來的入射光子的能量。嚴格地說,等於兩能級之問的能量差。
實現這種躍遷時所輻射出的光子性質與外來光子的性質一模一樣,這樣就一個變兩個,使光子成倍地增加,這就是受激輻射。普通光是物質自發輻射產生的,而激光是由物質受激輻射產生的。
激光與普通光就其本質來說,都是電磁波,它們的傳播速度都是每秒30萬千米,但激光還有著自己獨特的物理性質:
1.單色性極好,波長非常一致,它一束光中的波長的差別隻有千萬分之一埃甚至更小。
2.亮度極高。它可以比太陽表麵的亮度高100億倍。
3.方向性極好。方向性,就是指光的集中程度。激光器發出的激光照射到遠離地球38萬千米的月球上,它的光斑的直徑也隻有2~3千米,光束的發散角是探照燈的幾千分之一。
由於上述的物理特性,激光可以在千分之幾秒甚至更短的時間裏,使一切難以熔化的物質熔解以至氣化;也可在百分之幾毫米的範圍內產生幾百萬攝氏度的高溫、幾百萬個大氣壓、每厘米幾千萬伏的強電場。
由於激光的特性,它在很多領域得到了廣泛的應用。
1.激光加工:激光加工是指將激光作為熱源進行的熱加工。由於激光具有極好的方向性和極高的功率密度,所以近年來,它在打孔、切割、焊接、光刻等許多方麵得到廣泛的應用。
1966年用機械方法在金剛石拉絲模上打一個深1.25毫米的孔需24小時,而目前采用激光打孔隻需不到2秒鍾;而且大大降低了加工成本,提高了加工精度。
使用激光可以切割木材、布匹、塑料、玻璃、陶瓷、各種金屬或合金材料。使用激光切割材料,精度可高達百分之幾毫米,而且不變形,一般不需後續加工。用激光切割一種特硬陶瓷材料,速度是金剛石刀具的10倍,並且能方便地進行曲線切割。使用激光可焊接多種金屬和非金屬材料,並使生產率比傳統的焊接辦法提高幾倍到十幾倍。
值得一提的是采用激光技術提高光刻的分辨率對於製造大規模集成電路具有重要意義。
2.激光通信:光通信是通信家族中資格最老的一個成員。例如:我國古代建造的烽火台,就是利用點燃的烽火傳遞信息。18世紀末,法國人也曾經建造過遠距離的光通信係統,在山頂上立起不同顏色的標杆,用來傳遞信息。
1961年3月,世界上第一台激光器研製成功,理想的光源找到了。光通信很快取得了突破性的進展,激光通信應運而生。
激光通信一般分為兩種,一種與普通的有線電通信類似,由光纖傳播信號,也就是光纖通信。另一種與無線電通信相類似,信號直接在大氣中傳播,這就是激光大氣通信。
水下激光通信也是大氣激光通信的一種,這種通信手段在水下目標檢測和水下工程監視等方麵可以發揮重要的作用。比如水下激光電視,改變了過去隻靠潛水員手摸體測的狀況,工作技術人員可以從電視屏幕上直接看到水下情況,對於提高工程質量有著重要的價值。
3.激光在醫學上的應用:自從20世紀60年代初世界上第一台激光器誕生後,很快就在醫學上得到了應用。
激光從發生器內產生,經過聚焦後,從特製的刀頭內射出,可以產生巨大的能量,足以使皮膚裂開,肌肉焦化,骨頭氣化。這就是許多外科醫生所鍾愛的激光刀。使用激光手術刀,可以使腫瘤組織迅速焦氣化,氣化物被特製的吸引器迅速吸走,避免了腫瘤轉移,出血自然也十分少。