激光入門(mén)知識(shí)講解

1、激光入門(mén)知識(shí)一、激光產(chǎn)生原理1、普通光源的發(fā)光 - 受激吸收和自發(fā)輻射 普通常見(jiàn)光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等地發(fā)光）是由于物質(zhì)在受到外來(lái)能量（如光能、電能、熱能 等）作用時(shí)，原子中的電子就會(huì)吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過(guò)程是一個(gè)"受激吸收"過(guò)程。處在高能級(jí)（E2）的電子壽命很短（一般為10 - 810-9秒），在沒(méi)有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)（E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為h u =E2-E1這種輻射稱(chēng)為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過(guò)程完全是一種隨機(jī)過(guò)程，各發(fā)光原子的發(fā)光過(guò)程各自獨(dú)立，互 不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上

2、是無(wú)規(guī)則的射向四面八方，另外未位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于 激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。在通常熱平衡條件下，處于高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度N2,遠(yuǎn)比處于低能級(jí)的原子數(shù)密度低，這是因?yàn)樘幱谀芗?jí)E的原子數(shù)密度N的大小時(shí)隨能級(jí) E的增加而指數(shù)減小，即 Nexp（ -E/kT），這是著名的波耳茲曼 分布規(guī)律。于是在上、下兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為N2/N1*exp -（E2-E1）/kT式中k為波耳茲曼常量，T為絕對(duì)溫度。因?yàn)?E2>E1,所以N2N1。例如，已知?dú)湓踊鶓B(tài)能量為E1 = -13.6eV，第一激發(fā)態(tài)能量為 E2=-3.4eV，在 20C 時(shí)，k

3、T0.025eV，_則N2/N1*exp （ 400）"0可見(jiàn)，在20C時(shí)，全部氫原子幾乎都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光，必須外界提供能量使原子到達(dá)激發(fā)態(tài)，所 以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)輻射兩個(gè)過(guò)程。 一般說(shuō)來(lái)， 這種光源所輻射光的能量是不強(qiáng)的， 加上向四面八方發(fā)射，更使能量分散了。2、受激輻射和光的放大由量子理論知識(shí)知道，一個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)電子的一個(gè)能量狀態(tài)。電子能量由主量子數(shù)n（n=1,2,）決定。但是實(shí)際描寫(xiě)原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除能量外，還有軌道角動(dòng)量L和自旋角動(dòng)量s，它們都是量子化的，由相應(yīng)的量子數(shù)來(lái)描述。對(duì)軌道角動(dòng)量，波爾曾給出了量子化公式Ln= nh,但這不嚴(yán)格，因這個(gè)式

4、子還是在把電子運(yùn)動(dòng)看作軌道運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上得到的。 嚴(yán)格的能量量子化以及角動(dòng)量量子化都應(yīng)該有量子力學(xué)理論來(lái)推導(dǎo)。 量子理論告訴我們， 電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)只能發(fā)生在 l （角動(dòng)量量子數(shù)） 量子數(shù)相差±1 的兩個(gè)狀 態(tài)之間，這就是一種選擇規(guī)則。如果選擇規(guī)則不滿(mǎn)足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存 在這樣一些能級(jí)，一旦電子被激發(fā)到這種能級(jí)上時(shí)，由于不滿(mǎn)足躍遷的選擇規(guī)則，可使它在這種能級(jí)上的壽命很長(zhǎng)，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級(jí)上。這種能級(jí)稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。但是，在外加光的誘發(fā)和刺激下可 以使其迅速躍遷到低能級(jí)，并放出光子。這種過(guò)程是被"激" 出來(lái)的，故稱(chēng)受激輻射

5、。受激輻射的概念世愛(ài)因斯坦于 1917 年在推導(dǎo)普朗克的黑體輻射公式時(shí)， 第一個(gè)提出來(lái)的。 他從理論上預(yù)言 了原子發(fā)生受激輻射的可能性，這是激光的基礎(chǔ)。受激輻射的過(guò)程大致如下：原子開(kāi)始處于高能級(jí)E2,當(dāng)一個(gè)外來(lái)光子所帶的能量 hu正好為某一對(duì)能級(jí)之差E2-E1,則這原子可以在此外來(lái)光子的誘發(fā)下從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn),就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子,不僅頻率（能量）相同,而且發(fā)射方向、偏振方向以及 光波的相位都完全一樣。于是,入射一個(gè)光子,就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子。這意味著原來(lái)光信號(hào)被放 大這種在受激過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光,就是激光。3、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一個(gè)

6、誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射,而且它也能引起受激吸收,所以只有當(dāng)處在高能級(jí)地原子數(shù)目比處在 低能級(jí)的還多時(shí),受激輻射躍遷才能超過(guò)受激吸收,而占優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn),為使光源發(fā)射激光,而不是發(fā) 出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多,這種情況,稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡 條件下,原子幾乎都處于最低能級(jí)（基態(tài)）。因此,如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條 件。二、激光器的結(jié)構(gòu)激光器一般包括三個(gè)部分。1 、激光工作介質(zhì) 激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì),可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù) 反轉(zhuǎn),以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在,對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

7、世非常有利的?，F(xiàn)有工作 介質(zhì)近千種,可產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)包括從真空紫外道遠(yuǎn)紅外,非常廣泛。2、激勵(lì)源 為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系,使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。一 般可以用氣體放電的辦法來(lái)利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子,稱(chēng)為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來(lái)照射工 作介質(zhì),稱(chēng)為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱(chēng)為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得 到激光輸出,必須不斷地 " 泵浦"以維持處于上能級(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。3、諧振腔 有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后,可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱,無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。 于是人們就想到了用光學(xué)諧

8、振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔,實(shí)際是在激光器兩端,面對(duì)面裝上兩塊反射 率很高的鏡。一塊幾乎全反射,一塊光大部分反射、少量透射出去,以使激光可透過(guò)這塊鏡子而射出。被 反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來(lái)回振蕩，造成連鎖反 應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。下面以紅寶石激光器為例來(lái)說(shuō)明激光的形成。工作物質(zhì)是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許 3 價(jià)鉻離子的 三氧化二鋁晶體。實(shí)際是摻入質(zhì)量比約為0.05%的氧化鉻。由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍(lán)光，所以寶石呈粉紅色。I960年梅曼發(fā)明的激光器所產(chǎn)用的紅寶石是一根直徑0.8cm、長(zhǎng)約8cm的

9、圓棒。兩端面是一對(duì)平行平面鏡，一端鍍上全反射膜，一端有10%的透射率，可讓激光透出。紅寶石激光器中，用高壓氙燈作 ”泵？quot;，利用氙燈所發(fā)出的強(qiáng)光激發(fā)鉻離子到達(dá)激發(fā)態(tài)E3,被抽運(yùn)到E3上的電子很快（10 8s）通過(guò)無(wú)輻射躍遷到 E2o E2是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，E2到E1的自發(fā)輻射幾率很小，壽 命長(zhǎng)達(dá)10-3s，即允許粒子停留較長(zhǎng)時(shí)間。于是，粒子就在E2上積聚起來(lái)，實(shí)現(xiàn) E2和E1兩能級(jí)上的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。從E2到E1受激發(fā)射的波長(zhǎng)是694.3nm的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一個(gè)光脈 沖的持續(xù)時(shí)間不到1ms,每個(gè)光脈沖能量在 10J以上；也就是說(shuō)，每個(gè)脈沖激光的功率可超過(guò)10kW勺數(shù)量

10、級(jí)。注意到上述鉻離子從激發(fā)到發(fā)出激光的過(guò)程中涉及到三條能級(jí)，故稱(chēng)為三能級(jí)系統(tǒng)。由于在三能級(jí)系 統(tǒng)中，下能級(jí)E1是基態(tài)，通常情況下積聚大量原子，所以要達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，要有相當(dāng)強(qiáng)的激勵(lì)才行。三、激光器的種類(lèi) 對(duì)激光器有不同的分類(lèi)方法，一般按工作介質(zhì)的不同來(lái)分類(lèi)，在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體 激光器和半導(dǎo)體激光器。另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激 光的峰值功率可以非常大，還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功率大小分類(lèi)。1 、固體激光器一般講，固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。這種激光器的工作介質(zhì)是在作為 基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激

11、活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴 石（YAG晶體中摻入三價(jià)釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá) 109W2、氣體激光器氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù) 工作的有點(diǎn)。這也是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類(lèi)激光器，占有市場(chǎng)達(dá)60左右。其中，氦氖激光器是最常用的一種。3、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積

12、小、質(zhì)量輕、壽 命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別適于在飛機(jī)、車(chē)輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤(pán)技 術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。4、液體激光器 常用的是染料激光器，采用有機(jī)染料最為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于溶劑中(乙醇、丙酮、 水等)中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長(zhǎng)激光(在可見(jiàn)光范圍)。染料激光 器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復(fù)雜。輸出波長(zhǎng)連續(xù) 可調(diào)，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點(diǎn)，使它也得到廣泛應(yīng)用。四、激光簡(jiǎn)史和我國(guó)的激光技術(shù)自愛(ài)因斯坦 1917 年提出受激輻射概念后， 足足經(jīng)過(guò)了 40 年，直到 1

13、958 年，美國(guó)兩位微波領(lǐng)域的科學(xué)家湯 斯(C.H.Townes)和肖洛(A.I.Schawlaw)才打破了沉寂的局面，發(fā)表了著名論文紅外與光學(xué)激射器， 指出了受激輻射為主的發(fā)光的可能性，以及必要條件事實(shí)現(xiàn) "粒子數(shù)反轉(zhuǎn) " 。他們的論文史在光學(xué)領(lǐng)域工作 的科學(xué)家馬上興奮起來(lái)，紛紛提出各種實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)方案，從此開(kāi)辟了嶄新的激光研究領(lǐng)域。同年蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫和普羅霍羅夫發(fā)表了實(shí)現(xiàn)三能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器建議論文，1959 年9月湯斯又提出了制造紅寶石激光器的建議I960年5月15日加州休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼 (T.H.Maiman)制 成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，獲得了波長(zhǎng)為 694.3nm 的激光。梅曼是利用紅寶石進(jìn)體做發(fā)光材料，用 發(fā)光密度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源(如圖所示)，實(shí)際他的研究早在1957 年就開(kāi)始了，多年的努力終于活動(dòng)了歷史上第一束激光。 1964 年，湯斯、巴索夫和普羅霍夫由于對(duì)激光研究的貢獻(xiàn)分享了諾貝爾物理學(xué) 獎(jiǎng)。中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光