光彩奪目的新光源激光

光彩奪目的新光源——激光一、激光產(chǎn)生原理LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation受激輻射的光放大什么是激光?Laser

激光(意譯)1964年10月錢學(xué)森起名鐳射(音譯)1、普通光源的發(fā)光——

受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收: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)。自發(fā)輻射:被激發(fā)到高能級(jí)（E2)的電子壽命很短（一般為10－8～10－9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hυ=E2－

E1

。受激吸收自發(fā)輻射自發(fā)輻射的特點(diǎn)是：各個(gè)原子（或分子）的輻射都是自發(fā)的、隨機(jī)地、獨(dú)立地進(jìn)行的，他們所發(fā)出的光波在發(fā)射方向、偏振狀態(tài)和初位相上都是各不相同的。自發(fā)輻射宏觀：水往低處流,能量越低越穩(wěn)定。微觀：原子處于低能級(jí)的幾率大于高能級(jí)。

溫度增高，原子處于高能級(jí)的幾率增加在通常熱平衡條件下，能量較低能級(jí)上的原子數(shù)目較多，能量較高能級(jí)上的原子數(shù)目很少，其中基態(tài)原子數(shù)最多。2、激光產(chǎn)生原理——

受激輻射受激輻射根據(jù)量子力學(xué)，描述電子的能級(jí)狀態(tài)有:主量子數(shù)

n，n＝1，2，3，…軌道量子數(shù)l

，且

l＝0，1，2，…，（n－1）躍遷規(guī)則：Δl=±1亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)：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)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)初始狀態(tài)受激輻射亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)激光發(fā)光機(jī)制圖解在外加光的誘發(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，故稱受激輻射。(1)受激輻射

入射一個(gè)光子，得到兩個(gè)全同光子(全同的意思是光子的發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都相同），繼而得到更多的全同光子,稱為光放大。無(wú)數(shù)個(gè)全同光子組成激光。

激光——

受激輻射的光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(2)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

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，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)受激輻射介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，是制造獲得激光的必要條件。亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的前提。受激輻射無(wú)輻射躍遷激勵(lì)受激輻射激勵(lì)三能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)以紅寶石激光器為例說(shuō)明激光的形成紅寶石激光器形成激光的理論解釋二、激光簡(jiǎn)史和我國(guó)的激光技術(shù)1917年,愛(ài)因斯坦提出受激輻射概念

1958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)發(fā)表著名論文《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，以及必要條件是實(shí)現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。

1958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……1960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。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)。1961年8月，中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器于在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。1987年6月，1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)——

神光裝置，在中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。三、激光器結(jié)構(gòu)1、激光工作介質(zhì)氣體、液體、固體或半導(dǎo)體亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。不同工作介質(zhì)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的激光。激光光譜:紫外～遠(yuǎn)紅外2、激勵(lì)源

——

目的是使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電激勵(lì)；光激勵(lì)；熱激勵(lì)；化學(xué)激勵(lì)激勵(lì)也叫泵浦或抽運(yùn)3、光學(xué)諧振腔

——進(jìn)行光放大，選擇輸出光的方向的容器四、激光器的種類按工作介質(zhì)的不同來(lái)分類，可以分為固體激光器氣體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器脈沖激光器

(脈沖激光的峰值功率可以非常大)

1、固體激光器特點(diǎn)：器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大工作介質(zhì)：是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子。

除了前面介紹用紅寶石和釹玻璃激光器外，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。功率：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)109W。

2、氣體激光器特點(diǎn)：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。工作介質(zhì)：氦－氖氣體(632.8nm紅光)、二氧化碳?xì)怏w(9600nm紅外線)、氬氣(488nm、514.5nm藍(lán)綠光)。激勵(lì)方式：高壓氣體放電(電子碰撞激發(fā)原子)

是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器占有市場(chǎng)達(dá)60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一種。3、半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)：體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固。工作介質(zhì)：半導(dǎo)體材料激勵(lì)方式：光泵浦、電激勵(lì)

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。在70年代末期后，由于光纖通訊和光盤技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展(CD，VCD，DVD)。

光盤讀寫原理4、液體激光器特點(diǎn)：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。工作介質(zhì)：有機(jī)染料

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（在可見光范圍）。激勵(lì)方式：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。五、激光的特性及應(yīng)用1、激光的特性(3)單色性好：激光是一種單色光，頻率范圍極窄。

單色光：波長(zhǎng)范圍很窄的一段輻射，一般小于幾個(gè)埃。(4)相干性好：組成激光的光子是全同的，即它們頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位一致。(1)方向性強(qiáng)：幾乎是一束平行線。激光在諧振腔中兩反射鏡面來(lái)回反射，若光束偏離軸線，多次反射就會(huì)逸出腔外。其偏離軸線的發(fā)散角θ僅為10-3弧度。(2)亮度高：激光是集中在某一方向上的，能量集中亮度高。2、激光的應(yīng)用(1)激光武器國(guó)外已有一種紅寶石袖珍式激光槍，外形和大小與美國(guó)的派克鋼筆相當(dāng)。但它能在距人幾米之外燒毀衣服、燒穿皮肉，且無(wú)聲響，在不知不覺(jué)中致人死命。并可在一定的距離內(nèi)，使火藥爆炸，使夜視儀、紅外或激光測(cè)距儀等光電設(shè)備失效。1975年11月，美國(guó)的兩顆監(jiān)視導(dǎo)彈發(fā)射井的偵察衛(wèi)星在飛抵西伯利亞上空時(shí)，被前蘇聯(lián)的“反衛(wèi)星”陸基激光武器擊中，并變成“瞎子”。

1982年英阿馬島戰(zhàn)爭(zhēng)中，英國(guó)在航空母艦和各類護(hù)衛(wèi)艦上就安裝有激光致盲武器，曾使阿根廷的多架飛機(jī)失控、墜毀或誤入英軍的射擊火網(wǎng)。

據(jù)英國(guó)《星期日泰晤士報(bào)》報(bào)道，美國(guó)一名發(fā)明家最近研制出新概念“致僵”武器，這種非致命武器依靠“致僵射線”，即利用紫外激光器發(fā)出光束來(lái)，在空氣中電離出一條通道使電流導(dǎo)向目標(biāo)，使被擊中者周身肌肉神經(jīng)抽搐、痙攣，直至僵硬而喪失活動(dòng)能力，進(jìn)而丟掉武器束手就擒。激光致僵武器第一次應(yīng)用是美國(guó)田納西州警方緝捕綁架人質(zhì)的罪犯。

激光武器的優(yōu)點(diǎn)

1．無(wú)需進(jìn)行彈道計(jì)算

2．無(wú)后座力

3．操作簡(jiǎn)便，機(jī)動(dòng)靈活，使用范圍廣

4．無(wú)放射性污染，效費(fèi)比高激光在農(nóng)學(xué)上的應(yīng)用育種的兩種方法：自發(fā)突變、誘發(fā)突變自發(fā)突變：大面積種植，尋找優(yōu)良品種，逐年篩選。誘發(fā)突變：失重突變、核輻射突變、激光突變等多種方法。激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

激光手術(shù)刀

1、手術(shù)時(shí)間快；

2、出血少；

3、可進(jìn)行各種形態(tài)的切口；

4、能量集中，對(duì)周圍正常組織不會(huì)造成損傷；

5、“手術(shù)刀”不與組織直接接觸，不會(huì)引起細(xì)菌感染。

6、低功率激光照射穴位，起到針灸作用。激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光眼科:所用的激光是脈沖激光，時(shí)間很短，病人眼鏡還來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，“刀”已切下去了，不會(huì)傷及其他部位。激光纖維內(nèi)窺鏡

激光能準(zhǔn)確地確定腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞激光化療，治療癌癥等激光加工技術(shù)

原理：能量集中（光能轉(zhuǎn)化成熱能，金屬也能熔化）；方向性好（可做精細(xì)加工）

用途：打微孔，打異型孔；切割不同形狀的鋼板，切割速度快；雕刻高硬度或脆性材料。激光加工技術(shù)

激光焊接技術(shù)激光快速成形技術(shù)激光打孔技術(shù)