激光的產(chǎn)生背景及其產(chǎn)生的基本原理

LASER -Laser Amplification by Stimulated Emission of Radiation-受激輻射放大光-激光-改變世界的光-20世紀(jì)對(duì)世界文明最有影響的發(fā)明之一-現(xiàn)代人日常生活不可或缺的一部分

摘要

激光不僅在已有的領(lǐng)域中為各種應(yīng)用技術(shù)帶來(lái)了巨大的改善和提高，又開(kāi)辟了一些新領(lǐng)域、新應(yīng)用和新學(xué)科。激光作為一種科學(xué)技術(shù)其發(fā)展規(guī)律是從基礎(chǔ)理論研究到新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)再到產(chǎn)品的成功開(kāi)發(fā)最后到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。本文介紹了激光的產(chǎn)生背景及其產(chǎn)生的基本原理，希望能給廣大激光研究人員和愛(ài)好者提供參考意見(jiàn)。

一、發(fā)展背景

激光器的發(fā)展歷程可以追溯到1917年愛(ài)因斯坦在量子理論的基礎(chǔ)上提出受激輻射的概念。20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們開(kāi)始嘗試?yán)眉す夥糯笃鱽?lái)放大微弱的光信號(hào)。接下來(lái)的幾十年中，激光技術(shù)得到了快速發(fā)展，并被應(yīng)用于各種領(lǐng)域。 1960年，第一臺(tái)激光器被發(fā)明出來(lái)，這標(biāo)志著激光技術(shù)的誕生。 隨著時(shí)間的推移，激光器的功率逐漸增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，包括醫(yī)學(xué)、軍事、通訊、制造業(yè)等。1990年代以來(lái)，激光器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型激光器，例如納秒激光器、飛秒激光器、半導(dǎo)體激光器等。現(xiàn)在，激光技術(shù)已成為現(xiàn)代科技和工業(yè)的重要組成部分，不斷推動(dòng)著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步。

二、激光器的分類(lèi)及應(yīng)用

激光器是一種能夠產(chǎn)生相干光的裝置，它具有高度的單色性、方向性和亮度。激光器的分類(lèi)和應(yīng)用非常廣泛，涉及到科研、工業(yè)、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域。通常按照工作物質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)，以下是激光器的幾種主要分類(lèi)及其應(yīng)用：

1. 固體激光器 ：固體激光器使用固體晶體作為增益介質(zhì)，例如Nd:YAG激光器和Nd:YVO4激光器。這類(lèi)激光器在金屬切割、焊接、打標(biāo)、激光雷達(dá)和激光指示器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
2. 氣體激光器 ：氣體激光器以氣體作為激發(fā)介質(zhì)，如氬離子激光器、氫氧化碳激光器和氮?dú)饧す馄鳌?yīng)用領(lǐng)域包括激光雕刻、光譜分析、光源校準(zhǔn)和大氣遙感等。
3. 液體激光器 ：液體激光器使用液體染料作為增益介質(zhì)，例如染料激光器。染料激光器因其可調(diào)諧性和寬光譜輸出而在生物醫(yī)學(xué)成像、光譜學(xué)和光源研究領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
4. 半導(dǎo)體激光器 ：半導(dǎo)體激光器，又稱(chēng)激光二極管，是利用半導(dǎo)體材料產(chǎn)生激光的一種激光器。應(yīng)用廣泛，如光纖通信、激光打印、光碟驅(qū)動(dòng)器、激光指示器、激光干涉測(cè)量等。
5. 化學(xué)激光器 ：化學(xué)激光器是另一類(lèi)特殊的氣體激光器，即是一類(lèi)利用化學(xué)反應(yīng)釋放的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)工作粒子數(shù)布局反轉(zhuǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）的激光器。化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的原子或分子往往處于激發(fā)態(tài)，在特殊情況下，可能會(huì)有足夠數(shù)量的原子或分子被激發(fā)到某個(gè)特定的能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以致出現(xiàn)受激發(fā)射而引起光放大作用。

三、激光器的組成及基本原理

激光器是一種光放大器，通過(guò)受激輻射產(chǎn)生相干光。激光器的基本原理是基于愛(ài)因斯坦的受激輻射理論。激光器的組成主要包括以下幾個(gè)部分：

1. 激活介質(zhì)：激活介質(zhì)是激光器的核心，可以是固體、液體、氣體或半導(dǎo)體材料。激活介質(zhì)中的原子或分子能級(jí)在受到外部能量的激發(fā)后，形成高能量狀態(tài)，這些激發(fā)態(tài)的原子或分子可在受激輻射作用下向低能量狀態(tài)躍遷，同時(shí)放出光子。
2. 激發(fā)源：激發(fā)源是向激活介質(zhì)提供能量的裝置，使其從低能量狀態(tài)躍遷到高能量狀態(tài)。激發(fā)源可以是光源（如閃光燈）、電源（如直流電源）或化學(xué)能源等。
3. 光學(xué)諧振腔：光學(xué)諧振腔由兩個(gè)反射鏡組成，一個(gè)是全反射鏡，另一個(gè)是部分透射鏡。光學(xué)諧振腔的作用是使光在激活介質(zhì)中多次往返，增強(qiáng)光與激活介質(zhì)的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)光的放大。其中的輸出耦合器位于光學(xué)諧振腔的部分透射鏡一側(cè)，用于從諧振腔中提取激光輸出。部分透射鏡允許一部分光通過(guò)，從而形成有用的激光輸出。

激光器的工作原理可以概括為以下幾個(gè)步驟：

1. 激發(fā)：激發(fā)源向激活介質(zhì)提供能量，使激活介質(zhì)中的原子或分子由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。

2. 受激輻射：高能態(tài)的原子或分子在受到入射光子的作用下，向低能態(tài)躍遷，同時(shí)放出與入射光子具有相同能量、相同相位和相同傳播方向的光子。

3. 反射與放大：光學(xué)諧振腔使光在激活介質(zhì)中多次往返，每次往返都會(huì)產(chǎn)生受激輻射，從而實(shí)現(xiàn)光的放大。

4. 輸出：當(dāng)光的放大達(dá)到一定程度時(shí)，部分透射

四、激光的特性

激光器的光束具有高度的定向性和單色性。與其他光源不同，激光器的光束可以被聚焦到非常小的點(diǎn)上，因?yàn)楣馐浅＜星規(guī)缀醪粩U(kuò)散。此外，激光器的光束也具有相干性，這意味著光波的振動(dòng)方向是高度一致的。這些特性使得激光器在科學(xué)研究、醫(yī)療和工業(yè)制造等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。