正文 第16章 神奇的激光(1 / 2)

激光與原子能、半導體、計算機一起被譽為當代科技的四大發明,自誕生以來,從工業到農業,從醫藥到國防,都遍布著它的足跡。激光在電子技術中的應用,又形成了一門新的技術,即光電子技術,它在通信、新能源等領域的應用非常廣泛。

激光是20世紀一次劃時代的發明,電是近代物理學發展的一個裏程碑,它使古老的光學煥發出勃勃生機。

激光究竟是一種什麼樣的光呢?它到底是如何產生的呢?讓我們一起來揭開激光的神秘麵紗。

激光的奇異特性

激光也是光,與普通光一樣在本質上部是一種電磁波,但激光又是一種特殊的光,與普通光相比,激光具有亮度高(能量密度高)、方向性好(發散角小)、單色性強(光譜純)和相幹性好等特點。

激光

(1)亮度極高

所謂亮度極高是指光源的單位麵積向某一方向的單位立體角內所發射的光功率很高。激光是現代最亮的光,其亮度隻有氫彈爆炸瞬時的閃光才能與它相比擬。

(2)方向性極好

激光的在傳播過程中發散角很小,在很長的距離內激光束的直徑幾乎不變,是高度平行的光束,這就意味著激光束可以傳播更遠的距離。

(3)單色性極強

光波波長越集中,其單色性越好,而激光發出的全部光輻射都集中在很小的範圍內,其單色性極好。

(4)相幹性優異

單色性越好的光,它的相幹性就越好。同一激光器發射的激光小波由於頻率、位相、振動方向相同,因此具有極好的相幹性。

激光簡史

1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念,奠定了激光的理論基礎。1958年美國科學家肖洛(A lSchawlew,1921~)和湯斯(CH,Townes,1915~)發現了一種奇怪的現象:當他們將閃光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時,晶體的分子會發出鮮豔的、始終會聚在一起的強光。由此他們提出了“激光原理”,受激輻射可以得到一種單色性好、亮度又很高的新型光源。

梅曼

1958年,貝爾實驗室的湯斯和肖洛發表了關於激光器的經典論文,奠定了激光發展的基礎。1960年,美國人梅曼(T,H,Maimen,1927~)發明了世界上第一台紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發光材料,用發光度很高的脈衝氙燈作激發光源,獲得了人類有史以來的第一束激光。1961年9月,我國科學家王之江、鄧錫銘等在中國科學院長春光學精密機械研究所也研製成功了紅寶石激光器。1965年,第一台可產生大功率激光的器件——二氧化碳激光器誕生。1967年,第一台X射線激光器研製成功。1997年,美國麻省理工學院的研究人員研製出第一台原子激光器。

激光器的工作原理、結構和種類

(1)激光器的工作原理——受激吸收和自發輻射

光與物質間的共振相互作用是激光器發光的物理基礎,激光器利用的是受激光輻射理論。通常情況下,當一個誘發光子入射時,受激輻射和受激吸收兩種躍遷過程是同時存在的,前者使光子數增加,後者使光子數減少。當一束光通過發光物質後,究竟是光強增大還是減弱,要看這兩種躍遷過程哪個占優勢。在熱平衡條件下,原子幾乎都處於最低能級(基態),故在外界光的照射下,粒子發生受激吸收的可能性要遠遠大於受激輻射的可能性。我們所要解決的問題是如何把處於低能級的粒子抽運到高能級上,使高能級上原子數目大於低能級上的數目,這種狀態稱為“粒子數反轉”。隻要使發光物質處在粒子數反轉狀態,受激輻射就會大於受激吸收。當發光物質中有一個頻率合適的光子存在,便可像連鎖反應一樣,迅速產生大量相同光子態的光子,形成激光。由此可見,如何從技術上實現粒子數反轉是產生激光的必要條件。