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江蘇邱成機(jī)電有限公司

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光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身運(yùn)動狀況的表現(xiàn)。

微觀粒子都具有特定的一套能級（通常這些能級是分立的）。任一時(shí)刻粒子只能處在與某一能級相對應(yīng)的狀態(tài)（或者簡單地表述為處在某一個(gè)能級上）。與光子相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級躍遷到另一個(gè)能級，并相應(yīng)地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E，頻率為ν=△E/h（h為普朗克常量）。

1.受激吸收（簡稱吸收）

處于較低能級的粒子在受到外界的激發(fā)（即與其他的粒子發(fā)生了有能量交換的相互作用，如與光子發(fā)生非彈性碰撞），吸收了能量時(shí)，躍遷到與此能量相對應(yīng)的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。

2.自發(fā)輻射

粒子受到激發(fā)而進(jìn)入的激發(fā)態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級激發(fā)態(tài)（E2）向低能級基態(tài)（E1）躍遷，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 ν=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。眾多原子以自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)、傳播方向上的一致，是物理上所說的非相干光。

3.受激輻射、激光

1917年，愛因斯坦從理論上指出：除自發(fā)輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當(dāng)頻率為 ν=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，也會引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時(shí)輻射兩個(gè)與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過程稱為受激輻激光分離技術(shù)主要指激光切割技術(shù)和激光打孔技術(shù)。激光分離技術(shù)是將能量聚焦到微小的空間，可獲得105~1015W/cm2*的輻照功率密度，利用這一高密度的能量進(jìn)行非接觸、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，幾乎可以對任何材料實(shí)現(xiàn)激光切割和打孔。激光切割技術(shù)是一種擺脫傳統(tǒng)的機(jī)械切割、熱處理切割之類的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產(chǎn)效率等特點(diǎn)。激光打孔方法作為在固體材料上加工孔方法之一，已成為一項(xiàng)擁有特定應(yīng)用的加工技術(shù)，主要運(yùn)用在航空、航天與微電子行業(yè)中。

顏色極純

光的顏色由光的波長（或頻率）決定。一定的波長對應(yīng)一定的顏色。太陽輻射出的可見光段的波長分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間，對應(yīng)的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽光談不上單色性。發(fā)射單種顏色光的光源稱為單色光源，它發(fā)射的光波波長單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發(fā)射某一種顏色的光。單色光源的光波波長雖然單一，但仍有一定的分布范圍。如氖燈只發(fā)射紅光，單色性很好，被譽(yù)為單色性，波長分布的范圍仍有0.00001納米，因此氖燈發(fā)出的紅光，若仔細(xì)辨認(rèn)仍包含數(shù)十種紅色。由此可見，光輻射的波長分布區(qū)間越窄，單色性越好。 [1] 

激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布范圍可以窄到2×10^-9納米級別，是氪燈發(fā)射的紅光波長分布范圍的萬分之二。由此可見，激光器的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)*一種單色光源。

能量極大

光子的能量是用E=hv來計(jì)算的，其中h為普朗克常量，v為頻率。由此可知，頻率越高，能量越高。激光頻率范圍3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。

電磁波譜可大致分為：

（1）無線電波——波長從幾千米到0.3米左右，一般的電視和無線電廣播的波段就是用這種波；

（2）微波——波長從0.3米到10^-3米，這些波多用在雷達(dá)或其它通訊系統(tǒng)；

（3）紅外線——波長從10^-3米到7.8×10^-7米；

（4）可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個(gè)波段。波長從780—380nm。光是原子或分子內(nèi)的電子運(yùn)動狀態(tài)改變時(shí)所發(fā)出的電磁波。由于它是我們能夠直接感受而察覺的電磁波極少的那一部分；

（5）紫外線——波長從3 ×10^-7米到6×10^-10米

。這些波產(chǎn)生的原因和光波類似，常常在放電時(shí)發(fā)出。由于它的能量和一般化學(xué)反應(yīng)所牽涉的能量大小相當(dāng)，因此紫外光的化學(xué)效應(yīng)；

激光

激光

（6）倫琴射線(X射線)—— 這部分電磁波譜，波長從2×10^-9米到6×10^-12米。倫琴射線（X射線）是電原子的內(nèi)層電子由一個(gè)能態(tài)跳至另一個(gè)能態(tài)時(shí)或電子在原子核電場內(nèi)減速時(shí)所發(fā)出的；

（7）伽馬射線——是波長從10^-10～10^-14米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內(nèi)發(fā)出來的，放射性物質(zhì)或原子核反應(yīng)中常有這種輻射伴隨著發(fā)出。γ射線的穿透力很強(qiáng)，對生物的破壞力很大。由此看來，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因?yàn)樗淖饔梅秶苄?，一般只有一個(gè)點(diǎn)），短時(shí)間里聚集起大量的能量，用做也就可以

激光有很多特性：首先，激光是單色的，或者說是單頻的。有一些激光器可以同時(shí)產(chǎn)生不同頻率的激光，但是這些激光是互相隔離的，使用時(shí)也是分開的。其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一個(gè)“波列"。再次，激光是高度集中的，也就是說它要走很長的一段距離才會出現(xiàn)分散或者收斂的現(xiàn)象。

可以設(shè)想，如果大量原子處在高能級E2上，當(dāng)有一個(gè)頻率 ν=（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵E2上的原子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)特征*相同的光子，這兩個(gè)光子再激勵E2能級上原子，又使其產(chǎn)生受激輻射，可得到四個(gè)特征相同的光子，這意味著原來的光信號被放大了。這種在受激輻射過程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光。

愛因斯坦1917提出受激輻射，激光器卻在1960年問世，相隔43年，為什么？主要原因是，普通光源中粒子產(chǎn)生受激輻射的概率極小。當(dāng)頻率一定的光射入工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射和受激吸收兩過程同時(shí)存在，受激輻射使光子數(shù)增加，受激吸收卻使光子數(shù)減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，粒子在各能級上的分布，遵循平衡態(tài)下粒子的統(tǒng)計(jì)分布律。按統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，處在較低能級E1的粒子數(shù)必大于處在較高能級E2的粒子數(shù)。這樣光穿過工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會減弱不會加強(qiáng)。要想使受激輻射占優(yōu)勢，必須使處在高能級E2的粒子數(shù)大于處在低能級E1的粒子數(shù)。這種分布正好與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，簡稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。

激光

激光

理論研究表明，任何工作物質(zhì)，在適當(dāng)?shù)募顥l件下，可在粒子體系的特定高低能級間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1，E2和E1能級上的布居數(shù)密度為N2和N1，在兩能級間存在著自發(fā)發(fā)射躍遷、受激發(fā)射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發(fā)射躍遷所產(chǎn)生的受激發(fā)射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發(fā)下產(chǎn)生的受激發(fā)射光是相干的。受激發(fā)射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場的單色能量密度。當(dāng)兩個(gè)能級的統(tǒng)計(jì)權(quán)重相等時(shí)，兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2<N1，所以自發(fā)吸收躍遷占優(yōu)勢，光通過物質(zhì)時(shí)通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵可以破壞熱平衡而使N2>N1，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。在這種情況下，受激發(fā)射躍遷占優(yōu)勢。光通過一段長為l的處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）后，光強(qiáng)增大eGl倍。G為正比于（N2-N1）的系數(shù)，稱為增益系數(shù)，其大小還與激光工作物質(zhì)的性質(zhì)和光波頻率有關(guān)。一段激活物質(zhì)就是一個(gè)激光放大器。如果，把一段激活物質(zhì)放在兩個(gè)互相平行的反射鏡（其中至少有一個(gè)是部分透射的）構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中（圖1），處于高能級

的粒子會產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內(nèi)往返傳播，當(dāng)它在激光物質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)不斷增長。如果諧振腔內(nèi)單程小信號增益G0l大于單程損耗δ（G0l是小信號增益系數(shù)），則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運(yùn)動狀態(tài)可以分為不同的能級，當(dāng)原子從高能級向低能級躍遷時(shí)，會釋放出相應(yīng)能量的光子（所謂自發(fā)輻射）。

歷史沿革 語音

激光的理論基礎(chǔ)起源于物理學(xué)家愛因斯坦，1917年愛因斯坦提出了一套全新的技術(shù)理論‘光與物質(zhì)相互作用’。這一理論是說在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時(shí)將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大"，簡稱激光。

1951年，美國物理學(xué)家查爾斯·哈德·湯斯設(shè)想如果用分子，而不用電子線路，就可以得到波長足夠小的無線電波。分子具有各種不同的振動形式，有些分子的振動正好和微波波段范圍的輻射相同。問題是如何將這些振動轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛?。就氨分子來說，在適當(dāng)?shù)臈l件下，它每秒振動24，000，000，000次（24GHz），因此有可能發(fā)射波長為1.25厘米的微波。 他設(shè)想通過熱或電的方法，把能量泵入氨分子中，使它們處于“激發(fā)“狀態(tài)。然后，再設(shè)想使這些受激的分子處于具有和氨分子的固有頻率相同的微波束中---這個(gè)微波束的能量可以是很微弱的。一個(gè)單獨(dú)的氨分子就會受到這一微波束的作用，以同樣波長的束波形式放出它的能量，這一能量又繼而作用于另一個(gè)氨分子，使它也放出能量。這個(gè)很微弱的入射微波束相當(dāng)于起立腳點(diǎn)對一場雪崩的促發(fā)作用，最后就會產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的微波束。最初用來激發(fā)分子的能量就全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N特殊的輻射。

1953年12月，湯斯和他的學(xué)生阿瑟·肖洛終于制成了按上述原理工作的的一個(gè)裝置，產(chǎn)生了所需要的微波束。這個(gè)過程被稱為“受激輻射的微波放大"。按其英文的首字母縮寫為M.A.S.E.R,并由之造出了單詞“maser"（脈澤）（這樣的單詞稱為首字母縮寫詞，在技術(shù)語中越來越普遍使用）。

1958年，美國科學(xué)家肖洛（Schawlow）和湯斯（Townes）發(fā)現(xiàn)了一種神奇的現(xiàn)象：當(dāng)他們將氖光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時(shí)，晶體的分子會發(fā)出鮮艷的、始終會聚在一起的強(qiáng)光。根據(jù)這一現(xiàn)象，他們提出了"激光原理"，即物質(zhì)在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發(fā)時(shí)，都會產(chǎn)生這種不發(fā)散的強(qiáng)光--激光。他們?yōu)榇税l(fā)表了重要論文，并獲得1964年的諾貝爾物理學(xué)獎。

1960年5月15日，美國加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光，這是人類有史以來獲得的束激光，梅曼因而也成為一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家。

1960年7月7日，西奧多·梅曼宣布一臺激光器誕生，梅曼的方案是，利用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管，來激發(fā)紅寶石。由于紅寶石其實(shí)在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當(dāng)紅寶石受到刺激時(shí)，就會發(fā)出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個(gè)孔，使紅光可以從

這個(gè)孔溢出，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使其達(dá)到比太陽表面還高的溫度。

前蘇聯(lián)科學(xué)家尼古拉·巴索夫于1960年發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由p層、n層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。其特點(diǎn)是：尺寸小、耦合效率高、響應(yīng)速度快、波長和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調(diào)制、相干性好。

激光的中文名稱 語音

1964年10月，中國科學(xué)院長春光機(jī)所主辦的《光受激發(fā)射情報(bào)》（其前身為《光量子放大?？罚╇s志編輯部致信錢學(xué)森，請他為LASER取一個(gè)中文名字，錢學(xué)森建議中文名為“激光"。同年12月，上海召開第三屆光量子放大器學(xué)術(shù)會議，由嚴(yán)濟(jì)慈主持，討論后正式采納錢學(xué)森的建議，將“通過輻射受激發(fā)射的光放大"的英文縮寫LASER正式翻譯為“激光"。隨后，《光受激發(fā)射情報(bào)》雜志也改名為《激光情報(bào)》。

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