激光的發(fā)光機(jī)制及應(yīng)用

1、激光的發(fā)光機(jī)制及應(yīng)用一 激光的發(fā)光機(jī)制激光發(fā)射器中發(fā)射的激光主要是由受激輻射而產(chǎn)生。當(dāng)頻率為 f 的光子作用 在具有相同能級(jí)的原子系統(tǒng)時(shí)， 將發(fā)生兩個(gè)不同的作用： 一是當(dāng)光子已處于高能 級(jí)的激發(fā)原子作用時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生受激輻射， 光子增殖。 二是當(dāng)光子與低能級(jí)原子作 用時(shí)，系統(tǒng)使光子增殖還是減少， 完全取決于該原子系統(tǒng)中處于高能態(tài)與低能態(tài) 原子的比率。為了使受激輻射成為主導(dǎo)， 必須使高能級(jí)粒子數(shù)超過(guò)低能級(jí)粒子數(shù)， 即所謂要求實(shí)現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)” 。激光材料（激光工作物質(zhì)）實(shí)質(zhì)上就是具有適 當(dāng)?shù)哪芗?jí)結(jié)構(gòu)， 可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) （通過(guò)對(duì)其激勵(lì)， 使粒子從低能級(jí)躍遷至高能 級(jí)，通常成為“光泵” ）的工作物質(zhì)

2、。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 I （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 足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可

3、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。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

4、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。粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)一個(gè)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

5、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。二激光的應(yīng)用激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料(包括金屬與非金屬 )進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工以及做為光源，識(shí)別物體 等的一門(mén)技術(shù)，傳統(tǒng)應(yīng)用最大的領(lǐng)域?yàn)榧す饧庸ぜ夹g(shù)。激光技術(shù)是涉及到 光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門(mén)學(xué)科的一門(mén)綜合技術(shù)，傳統(tǒng)上看，它的研 究范圍一般可分為：1. 激光加工系統(tǒng)。 包括激光器、 導(dǎo)光系統(tǒng)、 加工機(jī)床、 控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)。2.激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種 加工工藝。激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，應(yīng)用于牙科的激光系統(tǒng)激光在齲齒的診斷方面的

6、應(yīng)用1 脫礦、淺齲2隱匿齲激光在治療方面的應(yīng)用1切割2充填物的聚合，窩洞處理 激光在工業(yè)上的應(yīng)用激光在工業(yè)上，也應(yīng)用極為廣泛，因?yàn)榧す庠诩す馐劢乖诓牧媳砻娴?時(shí)候能夠使材料熔化，使激光束與材料沿一定軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而形成一定形狀的切縫。七十年代后 ,為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量, 又推廣了氧乙烷精密火焰切割， 等離子切割。 在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。 激光冷卻激光冷卻 (laser cooling) 利用激光和原子的相互作用減速原子運(yùn)動(dòng)以獲得 超低溫原子的高新技術(shù)。這一重要技術(shù)早期的主要目的是為了精確測(cè)量各 種原子參數(shù)，用于高分辨率激光光譜和超高精度的量子頻標(biāo)( 原子鐘 )，后來(lái)卻

7、成為實(shí)現(xiàn)原子玻色 -愛(ài)因斯坦凝聚的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)方法。激光光譜激光光譜( laser spectra )以激光為光源的光譜技術(shù)。與普通光源相比， 激光光源具有單色性好、亮度高、方向性強(qiáng)和相干性強(qiáng)等特點(diǎn)，是用來(lái)研 究光與物質(zhì)的相互作用，從而辨認(rèn)物質(zhì)及其所在體系的結(jié)構(gòu)、組成、狀態(tài) 及其變化的理想光源。激光傳感器激光傳感器( laser transducer )利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由 激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，它的 優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干 擾能力強(qiáng)等。激光雷達(dá)激光雷達(dá)( laser radar )是指用激光器作為輻射源

8、的雷達(dá)。激光雷達(dá)是激 光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 。由發(fā)射機(jī) 、天線 、接收機(jī) 、跟蹤架 及信息處理等部分組成。激光武器激光武器是一種利用定向發(fā)射的激光束直接毀傷目標(biāo)或使之失效的定向 能武器。根據(jù)作戰(zhàn)用途的不同，激光武器可分為戰(zhàn)術(shù)激光武器和戰(zhàn)略激光 武器兩大類(lèi)。武器系統(tǒng)主要由激光器和跟蹤、瞄準(zhǔn)、發(fā)射裝置等部分組成， 目前通常采用的激光器有化學(xué)激光器、固體激光器、 CO2 激光器等。激光 武器具有攻擊速度快、轉(zhuǎn)向靈活、可實(shí)現(xiàn)精確打擊、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)， 但也存在易受天氣和環(huán)境影響等弱點(diǎn)。激光玻璃激光玻璃是一種以玻璃為基質(zhì)的固體激光材料。它廣泛應(yīng)用于各類(lèi)型固 體激光光器中，并成為高功率和高能量激光器的主要激光材料。 激光測(cè)速激光測(cè)速是對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行兩次有特定時(shí)間間隔的激光測(cè)距，