激光的用途

激光的用途 激光的基本原理探讨 物质是由一些同类微粒组成(即原子、分子、离子)。由于这些能级处于不同的能级上，而在这些能级中，用E1及E2分别表示两个能级量，E1所带的能量少，属低能级。E2所带的能量多。为高能级。由于粒子所含的能量不同，总的来说粒子在低能级的占多数，高能级的占少数。因此在低能级(E1)中的粒子数大于高能级中(E2)的粒子数。可用图18表示、低能级(E1E2)上粒子数的分布。 粒子二能级分布图 光与物质作用有三方面 (1)受激吸收 低能级E1的粒子当吸收一定频率r21的外来光能时，粒子的能量就会增到E2,E1，hr21(h)表示普朗克常数)，粒子就从低能级E1跃迁到高能级E2上，这一过程叫做受激吸收，而外来光的能量被吸收，使光减弱。粒子进行跃迁不是自发的，要靠外来光子刺激而进行。粒子是否能吸收发来的光子，还得取决于两个能级(E1和E2)性 1 质和趋近于粒子的光子数的多少有关。而与其它方向。位相等方面就无任何限制。 (2)自发辐射处于高能级的粒子很不稳定，不可能长时间的停留在高能级上。以氢原子为例，在高能级停留的时间只有10-8秒(粒子在高能级停留的时间为粒子的寿命，寿命长的为亚稳态能级)。因此，在高能级E2中的粒子会迅速跃迁到低能级E1上，同时以光子的形式放出能量hr21,E2,E1(hr21为辐射光子频率)。这一过程不受到外界的作用时完全是自发的。所产生的光没有一定规律，相位和方向都不一致。不是单色光。我们在日常生活中也可以看到的如日光灯，高压汞灯和一些充有气体的灯，发光都是自发辐射的过程，这些光是向各个方向传播。因此与受辐射发出的光，其相位和方向完全相反。这种以光的形式辐射出来的，叫做自发辐射跃迁。可是在跃迁的过程中有一些不产生光辐射的跃迁，而它们主要是以热的运动形式消耗能量，即为无辐射跃迁。自发辐射的特点，即每一个粒子的跃迁都是自发的，孤立地进行，也就是相互独立，彼此无联系。产生的光子杂乱无章，无规律性。 1.基能级上的粒子 2.粒子被激发到E2能级上 1.处于高能级E2上的粒子 2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一干光子 2 (3)受激辐射它是与受激发吸收的相反过程。处于高能级的粒子，在某种频率r21光子诱发下，从原来所在的能级上E2，放出与外来光子完全相同光子，此时既产生了一个光子(受激发前后共有2个光子)，使原来的能量减少?E,hr21。把高能级上的粒子跃迁到低能级E1上的这一过程称做受激辐射。 受激辐射的特点本身不是自发跃迁，而是受外来光子的刺激产生。因而粒子释放出的光子与原来光子的频率、方向传播、相位及偏振等完全一样，无法区别出哪一个是原来的光子，哪一个是受激发后而产生的光子，受激辐射中由于光辐射的能量与光子数成正比例，因而在受激辐射以后，光辐射能量增大一倍。以波动观点看，设外来光子为一种波，受激辐射产生的光子为另一种波，由于两个波的相位、振动方向，传播的方向及频率相同。两个波合在一起能量就增大一倍，即通过受激辐射光波被放大。外来光子量越多，受激发的粒子数越多，产生的光子越大，能量越高。 1.处于高能级E2上的粒子。 2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一个光子。 受激辐射时光束放大 从上可知，受激辐射及吸收同时存在于光辐射与粒子体系， 3 是在同一整体之中相互对立的两个方面，它们发生的可能性是同等的，这两个方面即受激辐射与吸收哪一个占主导地位，取决于粒子在两个能级上的分布激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的，也就是在基发态的粒子数尽可能多些。以实现受激辐射。 二、粒子数反转与光放大 在受激辐射中怎样把粒子数提高到高能级上，总的来说粒子数在能级上的分布有两种:一种是热平衡分布，即粒子体系(同种粒子)在热平衡状态下，各能级上的粒子数遵从玻耳兹曼分布:公式Ni,Ne,Ei/KT，Ni为单位体积中总的粒子数，K为玻耳兹曼常数(1.38×10-6)，T为绝对温度。把两上能级上的粒子数相比时可以看到，N2/N1,e(-E2-E1)/KT，由于E2,E1，而绝对T?0，K是正整数，KT,0因此N2,N1。其主要原理是高能级上的粒子数，要比低能级的粒子数少(在受激发时)。光辐射在热平衡状态下的粒子体系在相互作用下，粒子体系吸收光子的数大于受激辐射产生的光子数，光吸收起主导作用。在一般的情况下观察不到光的放大现象，但可以观察到光的吸收现象。要想实现光的放大作用，必须得把热平衡分布倒转过来，就可使粒子数在能级中进行另一种新的分布，即非热平行分布。这种新的分布使高能级上粒子分布的数量大于在低能级上粒 4 子分布的数量，即N2,N1。这时受激辐射的过程大于吸收过程，从而实现光放大，一般常称为粒子反转分布。所谓的“反转”，是对热平衡分布比较而言。 处于高能级被反转上去的粒子很不稳定，常会自发在或在外加的刺激下辐射出能量，从高能级粒子跃 迁到低能级上，促使粒子体系回到热平衡分布状态。因而可以看出，实现粒子数反转是实现受激辐射的必要条件之一。粒子数如何实现反转分布，涉及两个方面:一是粒子体系(工作物质)的内结构;二是给工作物质施加外部作用。所讲的工作物质是指在特定条件下能使两个能级间达到非热平衡状态，而实现光放大，不是每一种物质都能做工作物质。粒子体系中有一些粒子的寿命很短暂，只有10-8秒。有一部分寿命相对较长些，如铬离子在高能级E2上寿命只不过是几个毫秒。寿命较长的粒子数能级叫做亚稳态能级，除铬离子外，还有一些亚稳态能级，主要有钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氪离子、氩离子等。有了亚稳态能级，在这一时间内就可以实现某一能级与亚稳态能级实现粒子数反转，以达到对特定频率辐射光进行光放大。意即粒子数反转是产生光放大的内因。那外因是什么,既对亚稳态能级粒子体系(主要工作物质)增加某种的外部作用。由于热平衡的分布中粒子体系处于低能级的粒子数，总是大于处在高能级上的粒子数，当要实现粒子数反转，就得给粒子体系增加一 5 种外界的作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程被叫做激励，或被称为泵浦，尤如把低处的水抽到高处一样。 经过大量实践，了解并掌握了一些粒子数反转的有效。对固体形的工作物质常应用强光照射的办法，即为光激励。这类工作物质常应用的有掺铬刚玉、掺钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等等。对气体形的工作物质，常应用放电的办法，促进特定储存气体物质按一定的规律经放电而激励，常应用的工作气体物质，有分子气体(如CO2气体)及原子气体(如He-Ne原子气体)。如工作物质为半导体的物质，采用注入大电流方法激励发光，常见的有砷化镓，这类注入大电流的方法被叫做注入式激励法。此外，还可应用化学反应方法(化学激励法)、超音速绝热膨胀法(热激励)，电子束甚至用核反应中生成的粒子进行轰击(电子束泵浦、核泵浦)等方法，都能实现粒子数反转分布。从能量角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。激光器中激光能量的来源，是由激励装置，其它形式的能量(诸如光、电、化学、热能等)转换而来。 很多人对于激光的原理都可以头头是道，但是系统的从哪里说起呢,希望下面的这些文章可以让读者从头了解激光的原理。 激光是二十世纪六十年代出现的一种新型光源——激光器 6 发出的光。激光一词的本意是受激辐射放大的光。1960年美国休斯研究实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器，1961年9月中国科学院长春光学精密机械研究所制成了我国第一台激光器。此后，在激光器的研制、激光技术的应用以及激光理论方面都取得了巨大进展，并带动了一些新型学科的发展，如全息光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等，激光还与当今的重点产业——信息产业密切相关。 与激光有关的诺贝尔物理学奖获得者有:1964年，美国汤斯、原苏联巴索夫和普洛霍罗夫因在激光理论上的贡献而获奖。1981年美国肖洛因发展激光光谱学及对激光应用作出的贡献、美国布隆伯根因开拓与激光密切相关的非线性光学共同获奖。1997年美国朱棣文、科恩和飞利浦因首创用激光束将原子冷却到极低温度的方法共同获奖。 激光原理 一(物质与光相互作用的规律 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。 微观粒子都具有特定的一套能级(通常这些能级是分立的)。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态(或者简单地表述为处在某一个能级上)。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光 7 子。光子的能量值为此两能级的能量差?E，频率为=?E/h(h为普朗克常量)。 1. 受激吸收(简称吸收) 处于较低能级的粒子在受到外界的激发(即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞)，吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。 2. 自发辐射 粒子受到激发而进入的高能态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，既使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级(E2)向低能级(E1)跃迁，同时辐射出能量为(E2-E1)的光子，光子频率 =(E2-E1)/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光。 3. 受激辐射、激光 1917年爱因斯坦从理论上指出:除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。 他指出当频率为=(E2-E1)/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同 8 的光子，这个过程称为受激辐射。 可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率 =(E2-E1)/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。 二(粒子数反转 爱因斯坦1917提出受激辐射，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么,主要原因是，普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。 当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。 理论研究表明，任何工作物质，在适当的激励条件下，可 9 在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转。 一、光与物质的关系 百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网92to.com,您的在线图馆 10