激光的形成与发展

激光的形成与发展 自从六十年代初发明激光器和观察到激光现象以来，激光原理、技术、应用等都获得蓬勃的发展。对基础科学、生命科学、信息科技、军事技术、能源技术，先进制造机器，工农业的发展都已起着很大影响，预期对二十一世纪的科学与技术，国民经济与国防的发展，都将发挥越来愈重要的作用。 本文将就激光的形成与发展作一简要阐述。 一、历史的回顾 激光器的发明是与物理学长期基础研究的积累与技术的进步分不开的，至少可追朔到过去的,,年。首先十九世纪末引起物理学观念的革命，,,,,年德国物理学家普郎克，最先提出辐射的能量是量子化的概念，解释了黑体辐射的能量分布与光波波长的关系。以后如光电效应等一系列实验结果建立了光的量子论的观念，1913年丹麦物理学玻尔最早用量子论的观念于原子结构的研究，建立起原子中电子运动状态的变化与光辐射的联系，,,,,年爱因斯坦进而阐述辐射的量子模型时指出，原子中吸收光子只有一个过程，而原子电子发射光子存在两个过程，即自发发射与受激发射，这是首次被理论预言光源发射光子可能被感生辐射或称受激发射，并且指出受激辐射的光子与人射的光子具有相同频率，相同位相，相同偏振，相同传播方向等特性。但对通常光源在通常发光时温度处于平衡态下受激辐射是无法观察到的。因之以后多人在研究观察受激辐射，引入负温度、负吸收等概念，直至,,,,年由美国科学家唐斯等与苏联科学家普罗霍洛夫等，首次提出三能级模型理论，同年实现了氨分子微波激射器。后于,,,,年美国的唐斯与萧洛，前苏联科学家巴索夫、普罗霍洛夫分别提出在红外及可见光波段实现量子放大器的理论。终于,,,,年首次被美国的梅曼用红宝石作工作介质，用脉冲氙灯作光泵，发明红宝石激光器及观察到激光现象，很快在许多国家的实验室重复了该项实验。 二、激光发射的基本过程 (,)辐射的吸收与发射。众所周知，物质是由原子构成的，原子是由带正电的核与绕核运动的电子所构成。在微观世界中电子绕核运动能量不能有任 E意值，只能取某些固定值，为了达电子的能量状态，通常用符号来表示，在一般条件下，电子都处于原子中最低态的能量值，称为基态，当电子离开E0基态至能量提升状态时称为激发态(E)，电子由基态至激发态，或由激发态返e 回基态时，一般伴随有电磁辐射过程，这些辐射可以是可见光、红外线，或紫外线，依赖于二态之间的能量差。与电磁波频率相应的光子能量值为 hv,E,E21 其中、表示二能级的能量值，为电磁辐射频率，为固定值，称为普郎EEvh21 克常数，其值为 ,27 h,6.6256，10尔格,秒 ,34 ,6.6256，10焦耳,秒 光子是辐射能量的最小单位，一般讲来只有正好符合二能级差的光子才能引起光子与电子间的相互作用，产生电子在不同能级间的跃迁。这些作用过程可分为三种，可用图,加以说明。 33图中代表跃迁机率系数，其中有A,B,BB,B,A/B,8,hvc,A2112211221212121为自发跃迁机率，为受激跃迁机率，为吸收机率。在外场作用下，若外BB2112 场光场强度为，则总吸收机率与发射机率为:吸收=为光,NB,,NBnhv,n112112子密度，发射=，其中、为上下能级的粒子数浓度。在平NB,，NANN22122112 衡条件下、的比例符合波兹曼分布，即/,。其NNNNex,[,(E,E)/kT]112122 中为波兹曼常数，为绝对温度。所以吸收总是大于发射，观察到的只是吸收Tk 过程和自发发射，光能只会减少。 (2)粒子数分布反转。为了获得光通过的介质，光场能量获得增加，一般要使相应于入射光子的能级的粒子数分布反转，即高能态的粒子数大于低能级上的粒子数，不符合正常温度的平衡统计分布，这从简单二个系统中较难加以考虑。如果考虑有三个或四个以上能级的系统，在某一对特定能级间粒子分布反转是可以达到的。为了说明形成分布反转的能级状态，这里只选用了一个具有四能级系统的例子。 (见图,) 图,()所描述的正常温度的粒子数分布，为粒子数占有随能量增加呈指a 数减少。图,()中E的基态粒子数大于激发态的粒子数，当基态粒子吸收b0 能量被激发至高激发态E，由E很快驰豫至态，粒子在态积累，态粒EEE33222子数可大于态粒子数，即,，在、态之间形成粒子分布反转，当EnnEE12121 的光子，通过这样的介质时，由于表现出能hv,E,EnA，nB,,nB,21221221112 kx量的增加，从而获得增益放大。光通过该介质时如用指数函数描述，则，I,I0e其中为人射光强，I为出射光强，k为放大系数，当k是为负值，即通常介质，I0 表现为吸收，因之，具有光放大作用的介质，称为负吸收介质，光通过这种介质，光子强度获得增加。只要泵的速率足够大，与之间的驰豫足够快，该EE01 过程可以持续不断的进行，以保持与间的持续反转分布。以:激EENYAG2d1 光介质为例，毫秒，毫秒，可以足够达到要求。其中代表,,0.5,,30,E2121210 至态的寿命，是至态的寿命，是自发跃迁机率的倒数。 EE,E01101 (,)光学谐振腔。光通过粒子数分布反转的介质获得了光增益或放大，通常有限长度的介质单程增益很低，为了获得足够的放大，需要依赖在介质的两端放置一对相互平行的反射镜，光在反射镜间可以为回多次通过，相当于无限制地延长了粒子数反转的介质，能够维持光线多次反射的平行反射镜组，称光学谐振腔。构成反射镜组可以是一对平行平面，也可以是一对球面，或泛共焦球面，即二球面的焦距不一定相同，焦点不一定重合，图,是谐振腔的作用的说明。(附图3) ,2图中,代表具有粒子分布反转的激活介质，,、代表平行平面反射镜对， ,通常其平行度要保持几个弧度秒以内，,、代表不沿轴向传播的光线，很快3 ,成为散射光，,、代表沿介质轴向传输并垂直于光腔二端面反射镜，来回多4 次反射的光束，当反射镜之一的透射率不为零时会有光输出，通常即为激光。 对反射镜对的相互配置有一定限制，依赖于两个镜面的曲率半径和间距大小，光线在反射镜间来回反射或称光振荡，可以是稳定的或不稳定的，一般设计的激光谐振腔，需要满足稳定条件。若令两个镜面的曲率半径为及，镜rr21间距离为，光学谐振腔稳定的条件为: e ee 0,(1,)(1,),1rr12 对平面平行腔，是属极限情况。对低增益的激光介质，谐振腔镜面的r,r,,12 反射率要求很高，通常反射镜面镀多层介质膜，其反射率可达,,(,,以上，对红外及紫外器件，也可直接镀金属，如镀金、镀银，对高增益、大功率器件也有用非稳腔结构，反射镜的输出端不镀膜，甚至镀减反膜，此外行波腔等其他类型结构的应用，也对特定器件中使用。 (,)激光器振荡的阈值条件。通常由于介质的吸收、散射，晶体的不完整性。反射镜的透过率不为零等因素，激活介质的腔内损耗必然存在。为了形成激光，光在粒子数反转介质中来回传播，其每次的行程的增益必须克服或大于损耗，才能使振荡持续。当振荡中光放大的增益等于光损耗的条件，称为振荡的阈值，一旦介质的增益超出阈值增益，光强的增长将非常激烈。假定激光介质的增益与损耗的条件是均匀分布，则光在谐振腔中来回一次的增益为: G 终态的辐照度2(k,r)LG,,RRe 12初态的辐照度 其中、是二端镜面的反射率，L为激活介质的长度，K为增益系数，,为RR21 损耗系数。当,,时为振荡的阈值条件，对二能级间光束传输的小信号增益G 系数为: k ghvn221kNNB ,(,)2121gC1 其中、为及态的粒子数密度，g、是二态能级的简并度，为介NNEEgn122211 质的折射率，为真空光速。对应阈值的粒子数密度差 kCth g2 N,N,Nth21g1 11与此相应 kr,，ln()thLRR212 当激光可持续产生振荡并产生输出，原则上已知、、及体积损耗Lk,kRR2th1 系数r，可估算出所需粒子数密度的反转值。 (5)激励条件的某些考虑。为了使激光介质形成粒子数反转，必需有外加的激励手段，依赖于激光介质的类型，其激励方式是很不相同，通常对晶体激光介质，只能用光泵激励，要选择光泵辐射的光谱与介质相应的吸收光谱相匹配，为了光泵的激励效率，外加的聚光系统也是必不可少的。光泵的光源可选择高压氙灯、氟灯、汞灯，有连续与脉冲的工作方式，其形式有直管形、共轴式，或螺旋形等，一般选用市售商品便于更换。近年来，更有用二极管激光器作,为晶体的激励光源，因为二极管激光器体积小，效率高，发光效率常达60,70,，与上能级吸收能更有效匹配。是较理想的全固化小型泵源，半导体激光器的多片集成，连续输出功率已达千瓦级，本身既是很好的激光器，又可作成很好的泵源。聚光系统，通常用椭圆聚光镜;圆柱聚光镜、漫反射聚光器等增加有效耦合入射泵的光能。为了供给光泵的能量，尚需有相应的电源，依赖于连续或脉冲输出，电源的电压、线路多有不同组合。对重复脉冲及连续激光器、介质、光泵及反射聚光系统，都要有效的冷却，以确保多余的热量可很快散发，否则由于激光介质的升温，不仅会影响激光输出的质量、稳定快，甚至会使激光器振荡停止。为了估算所需泵光的功率，可以解光泵粒子分布的速率方程组，对前述四能级系统，在阈值条件下，单位体积介质所需的泵功率。为: Pth 22E8,vk,vn30th P,th2C 该方程中只考虑了均匀展宽线型对光泵功率的需要，其中是中心发射频率，v0 是线宽，为介质的折射率，该方程没有涉及装置的几何耦合效率、光源光n,v 谱效率、电光转换效率等因素。红宝石激光器是三能级系统，光泵需要激励至少基态,,,的粒子于激发态，因而泵的阈值功率是较高的。 气体激光器的激励方式是多种多样的，依赖于具体的激光气体介质，可用光泵、放电、电子束、化学、气体动力激励等多种手段。以放电为例，小功率HeNe激光器通常采用直流辉光放电，或射频放电激励。、离子激光器用AKrr电弧大电流等离子体放电激励，准分子激光器则用快速高电压脉冲放电激励，对激光器则用直流、高频、快脉冲、电子束、微波激励等多种手段，还可CO2 以横流放电、气体动力等。目前激光器的种类，可以说是五彩缤纷，各种介质都可成为激光介质，图,给出自体激光器与气体激光器的典型结构示意图。 ,,图,()中,为激光介质，2为激励光源,、为谐振反射镜对，,、4a3 为聚光反射镜。,为高压高频脉冲触发信号，,为电容器，,为电阻，,为高 ,,压电源。图,(,)中,为气体激光介质，,、2为布儒斯特窗，,、为共3焦反射镜对，,为电容，,为电阻，,为电源。 三、激光的输出特性 前节仅简述了激光是怎样产生的，其所以受到广泛的重视，是因为激光器这一新型光源射出的激光与普通光源发射的光缆有很大的不同，可以概括为方向性、相干性单色性、高亮度等。 (,)方向性。普通光源，如灯泡发光、蜡烛发光、太阳光线都是由光源在立体角内均匀照明，而激光是由激光器的谐振腔振荡多次发出的光束，只4, 垂直于谐振腔表面输出，其发散度一般只达毫弧度，即激光束行经,公里，其 ,2,4波束直径约,米。进一步用倒置望远镜，光束发散角可达毫弧度，直1010, 接由地球上照射，其在月球表面上的光束，直径也仅数公里。可以用于人造卫星测距、大坝安装准直、建筑物的准直、矿山开挖的自动跟踪、定向等，这是激光与通常光源的最直观的不同。 (,)相干性与单色性。即取激光束波横截面上任意二点与光束前后任意两点所组成的电磁波幅，彼此是相互关联的，前者表现为空间相干性，后者表现为时间相干性。通常两个点光源发出的光强在空间交汇于一点时是光强相加，而相于光源中两点发光在空间某点交汇，光强是其振幅相加，因为光强是比例 222于振幅的平方，则为单一光强的四倍，相当于，及的关系，1，1,2(1，1),4时间相干性，即光束前后各点彼此位相有关联，表现出单一的正弦函数了则颜色单一称为单色性好。当光波为相干叠加时可于空间观察到明暗条纹，为了说明干涉程度引进干涉条纹的可见度，其定义为: I,I最大最小 r,I，I最大最小 、代表干涉条纹的最大与最小处光强。是不相干，r,1是条纹IIr,0最大最小 最清晰，称完全相干，称为部分相干。 0,r,1 倘若将一束光分裂为二束，并使该二束光行过不同的光程,L，若复合此,束光仍保持位相关系称为时间相干性，与此相应的长度为相干长度， ,L为相干时间，与激光线宽的关系为:，光源线宽愈窄，,t,,,t,v,v,t,1C 相干时间愈大，相干长度愈大，通常光源的线宽很大，相干长度很短，是不相干的，激光的单色性好，它的相干长度可由几厘米直至几公里以上。利用激光的相干性常用于干涉计量法中，迈克逊干涉仪常用于测相干长度，法卜里一帕洛干涉仪常于测量光源线宽，利用双缝干涉等实验，可用于识别光源的空间相干性。激光的相干性常用于距离测量，全息技术及广泛的一类计量领域，用作频率、时间。长度的。相干及非相干光对材料和有机体的作用也不尽相同。 (,)高亮度。亮度是表示光源的明亮程度，定义为光源在单位表面积、单位立体角所发射的光功率，若考虑光源的线宽，则需计及单位波长间隔内的单色亮度。激光的亮度很高，由于激光的方向性和大功率，其亮度较常规光源,一1021高许多数量级。其典型值:He-Ne激光,10瓦?米?立体角，,调制红宝 一一一162121石激光器,10瓦?米?立体角，经放大后的玻璃激光器,10瓦?米,d 一一一21621?立体角。而太阳的亮度,.,×10瓦?米?立体角。 随着激光输出加大，新的高阶模也会参加振荡，这种随模式增加的功率增长，一般不改变或很少改变光源亮度。因而为了有效利用激光功率密度，提高单模输出的激光功率将更为基本，当然在一些只要激光能量的场合，将不受限制。 对高质量的激光器，激光束是单模高斯强度分布，对于焦长为,的透镜， ,光束发散角为时，其焦点的半径若考虑光束受行激限制，有r,f,,~,,sD ,。此处(,即透镜的,数，则具有波长的量级。对几毫瓦的rr,f,,,FssD一62He-Ne激光器，焦点的功率密度也可达10瓦?厘米。对高功率激光器这一数值可增加,至10个数量级。因而可聚焦激光束能对金属钢板切割、打孔、焊接、合金化、表面热处理，在最硬的材料，如钻石上钻孔，对机体做手术，使原子、分子瞬间离化、分离。利用单颇高功率，选择性吸收等概念，可以形成特殊的物化、生化的反应通道。从而开发更深层次的光与物质相互作用的理论与应用。 四、五彩缤纷的激光家族? 从第一台红宝石激光器发明以来，激光器的种类已进人百花齐放的时代，甚至有人认为，所有物质都可能做成激光介质，构成激光器，无论固体、液体、气体、等离子体、半导体，又无论无机材料、有机材料、聚合物、染料等都可用作工作介质。从运作的时间分类有连续、脉冲、,调制、重复脉冲、短脉冲，超短脉冲器件，脉冲的时序已可控制，由锁模，至脉压缩等技术应用，超短脉,,215冲已达皮秒(10秒)及飞秒(,飞秒=10秒)领域，最短的脉冲记录已达,.,飞秒脉宽，只包括几个光波波长。以功率分类:有小功率，中等功率，大功率，超高功率器件，当前最大功率的器件，连续输出超过一百万瓦，单脉冲输出大于几十万焦耳。用光波波长分类，可分为远红外、红外、近红外、可见、紫外、远紫外、软,射线。,射线激光器也能运转，其波长几乎覆盖了电磁波的整个波段。此外又可分为单频、稳频、选频、调频、多彼长、多色，直至白光激光器。激光束的质量，即模式也是重要因子，模是电磁场在空间组成的稳定花样，一种模式对应于一种花样，模可分为横模、纵模、单模、多模、选模、锁模器件等等，激光腔的结构不同，调整略有差别，模式则有变化。因为激光器光学谐振腔的长度远大于光波波长，所以是一种多模式的光学谐振腔。此外，激光器的激励方式，由于其能量供给方式不同，又可分为光泵、放电激光器、 电子束泵;气体动力激励、化学反应激光器、量子阱激光器、自由电子激光器等等。 五、结束语 激光器发展的,,年来，人类对光及光与物质相互作用的认识有了更新的发展，过去光源的发光是自发的，无序的，原子的运动与发光是无规可寻的。激光器的发光是非自发的，发光是有序化进行，原子是被组织起、协调一致的发光，这是由输入多余能量的熵减少过程。从而对光与物质相互作用有了更高层次的了解，由线性光学发展为非线性光学、传统光学是眼的延伸，现代光学已与电子技术相结合形成光电子信息技术，甚至发展而成为产业。由于激光器中输出大量光子，光子的能量也发挥出越来愈重要的作用。在甘一世纪知识经济时代，激光对高科技的影响也将是与日俱增，估计甘一世纪激光对高科技的作用将在:(,)生命科学，其中包括激光医学与农业应用，(2)能源科学，其中包括同位素分离。受控核反应发电、太阳能利用中发挥作用，(3)信息科技，尤其在光纤通信、计算机技术中发挥作用，(,)先进武器系统，包括战术与战略武器系统的两个方面，(,)先进制造机器、未来工业系统，将包括光、机、电、算、材的综合自动控制、智能化、灵巧机器中起关键技术作用。 此外对各学科中渗透也会广泛发生影响。