激光的基本工作原理
常见问题 | 2019-07-01 15:10 | 点击：358
1、什么是激光？
激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。
1917年,以大科学家爱因斯坦为代表的一批理论物理学家奠定了现代物理学的重要学科之一,量子理论。激光－LASER是英文Light-Amplification-Stimulated Emission of Radiation的缩写，意思是受激光放大辐射。量子理论预言了受激辐射的可能性.
自爱因斯坦1917年提出受激辐射概念后，足足经过了40年，直到1958年，美国两位微波领域的科学家汤斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw)才打破了沉寂的局面，发表了著名论文《红外与光学激射器》，指出了受激辐射为主的发光的可能性，以及必要条件事实现“粒子数反转”。他们的论文史在光学领域工作的科学家马上兴奋起来，纷纷提出各种实现粒子数反转的实验方案，从此开辟了崭新的激光研究领域。
同年苏联科学家巴索夫和普罗霍罗夫发表了《实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议》论文，1959年9月汤斯又提出了制造红宝石激光器的建议……1960年5月15日加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了波长为694.3nm的激光。梅曼是利用红宝石进体做发光材料，用发光密度很高的脉冲氙灯做激发光源。实际他的研究早在1957年就开始了，多年的努力终于活动了历史上第一束激光。1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍夫由于对激光研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖。
中国第一台红宝石激光器于1961年8月在中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。这台激光器在结构上比梅曼所设计的有了新的改进，尤其是在当时我国工业水平比美国低得多，研制条件十分困难，全*研究人员自己设计、动手制造。在这以后，我国的激光技术也得到了迅速发展，并在各个领域得到了广泛应用。1987年6月，1000W的大功率脉冲激光系统——神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功，多年来为我国的激光聚变研究作出了很好的贡献。
激光刚出现时，我国学者根据英文LASER的发音把它翻译为镭射，我国的台湾和香港等地还经常用镭射这个名词。后来经科学家钱学深森提议，才改为激光并延用之今。经过四十多年的发展，特别是最近十年，激光技术高速发展，如今激光器品种繁多，应用五花八门，激光技术和其产品已渗透到许多领域，包括我们的日常生活。
2、激光产生原理
量子理论认为，所有物质都是由各种微观”粒子”组成,如分子,原子,质子,中子,电子等。在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级结构。当一个粒子从高能级掉到低能级时，根据能量守恒定律，它要把两个能级相差部分的能量释放出来，通常这个能量以光和热两种形式释放出来。
普通电灯炮的工作原理是灯丝吸收电的能量，灯丝中的各种粒子被电能推到较高的能级，因为高能级是不稳定的，它有向下能级跃迁的倾向,当处在高能级的粒子向低能级跃迁时，灯丝就发光,同时发热。灯丝的发光辐射是随机的,各种能级上的粒子向下跃迁时辐射不同波长的光,没有相关性,这被称为自发辐射。
而激光不同,科学家通过精心设计激光器的结构,让某一个能级对的辐射被放大,而其它能级对的辐射没有被放大或者被抑制.在激光器里,当一个粒子向下辐射并发射光子时,这个光子会感应激励其它粒子辐射同样的光子,这是一个雪崩复制的过程,所以激光器辐射的光具有相关性,这个过程被称为受激辐射。
2.1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射
普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2)的电子寿 命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为
hυ=E2-E1
过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为
N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}
式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则
N2/N1∝exp（－400）≈0
可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。
2.2、受激辐射和光的放大
量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁 的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射。
2.3、粒子数反转
一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比 低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。
激光器通常有三大部分组成：激励源，工作物质，谐振腔。工作物质通过吸收激励源的能量使其内部的“粒子”上升到高能级，谐振腔的作用是把某个能级对的辐射进行振荡放大，从而实现受激辐射，输出激光。
3、激光的特点（与普通光源的区别）
激光之所以被誉为神奇的光，是因为它有普通光所完全不具备的四大特性。
3.1、方向性好
普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内（图8-9），这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。
3.2、亮度高
激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是103瓦／（厘米2.球面度），而一台大功率激光器的输出光亮度经太阳光高出7～14个数量级。这样，尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在 某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。
