激光原理及其应用简介

激光原理及其应用简介

内容摘要

继原子能、计算机、半导体之后，激光是上世纪人类的又一重大发明。早在1917年，著名物理学家爱因斯坦就发现了激光的原理，但直到1958年，激光才被首次成功制造。它一问世，即获得超乎寻常的飞快发展，不仅使古老的光学及其技术焕发青春，也生发了许多新兴的学科。激光正以特殊的方式深刻影响着人们生活。本文描述了激光的基本原理和特性，并在此基础上简单地介绍了激光技术在工业、信息、军事等几个领域内的重要应用及发展前景。

关键词：激光受激辐射粒子数反转相干性

一、激光发展史

激光技术的启蒙研究发展就完全印证了上面的话。最早对激光做出理论研究的人是爱因斯坦，1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念，即处于高能级的原子受外来光子作用，当外来光子的频率与其跃迁频率恰好一致时，原子就会从高能级跃迁到低能级，并发射与外来光子完全相同的另一光子，新发出的光子不仅在频率方面与外来光子相一致，而且在发射方向、偏振态以及位相等方面均与外来光子相一致，因此，受激辐射具有相干性；在发生受激辐射时，一个光子变成了两个光子，利用这个特点，可实现光放大，并且能够得到自然条件下得不到的相干光。

受激辐射提出后，陆续有科学家进行研究。如1916-1930年间拉登堡及其合作者对氖的色散的研究并于1933年绘制出色散系数随放电带电流密度变化的曲线。1940年法布里坎特首先注意到了负吸收现象。这一阶段发展并不迅速。到了第二次世界大战之后，1947年兰姆和雷瑟夫指出通过粒子数反转可以受激辐射，从此激光理论的研究开始突破。1952年帕塞尔及其合作者实现了粒子数反转，观察到了负吸收现象。第二年，韦伯产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁波的思想，进而提出了微波辐射器的原理。1957年斯科威尔实现了固体顺磁微波激射器。既然微波可以激发受激辐射，那么红外乃至可见光等也应该可以。1958年汤斯和肖洛发表了著名的“红外与光学激射器”一文，1959年汤斯提出了建造红宝石激光器的建议。终于1960年由休斯航空公司的莱曼建造出第一部可用的激光装置。（我国第一台红宝石激光器于15个月后的1961年8月建成。）从此人

类拥有了激光这一利器。

由于生产技术不成熟，激光技术产生之初并未有太多实际用途。后虽有切割，光束武器等应用，但又受制于制造成本高昂和气候条件复杂等。几十年来各方面工程师和专家一直努力改进创新激光技术及应用，随着激光技术的发展成熟，今天，它已经广泛地应用于生产生活的各方面。

二、激光产生原理

2.1、激光产生的物质基础

光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。爱因斯坦认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。为了简化问题，我们只考虑原子的两个能级1E 和2E ，处于两个能级的原子数密度分别为1n 和2n ，如图2-1所示。

构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ，并有21E E h ν-=。

（Ⅰ）、自发辐射

处于高能级2E 的一个原子自发地向低能级1E 跃迁，并发射一个能量为h ν的光子，这种过程称为自发跃迁过程，如图2-2所示。 1E

2

E 图2-1二能级原子能级图

（Ⅱ）、受激辐射

处于高能级2E 的原子在满足21()E E h ν=-的辐射场作用下，跃迁至低能级1E 并辐射出一个能量为h ν且与入射光子全同光子，如图2-3所示。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。

（Ⅲ）、受激吸收

受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级1E 的一个原子，在频率为ν的辐射场作用下吸收一个能量为h ν的光子，并跃迁至高能级2E ，这种过程称为受激吸收，如图2-4所示。

图2-3原子受激辐射 2

E 1E 1

E 自发辐射光

21h E E ν=-

2

E 图2-2原子自发辐射

1E 入射光21h E E ν=- 1

E

入射光21h E E ν=-

受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。自发辐射是不相干的；受激辐射是相干的

2.2、激光产生的基本原理和方法

2.2.1光学谐振腔及其选模和反馈作用

由受激辐射和自发辐射相干性可知，相干辐射的光子简并度很大。普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。如果能够创造这样一种情况：使得腔内某一特定模式的νρ很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某一特定模式内，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各种技术措施减少腔内光场模式数、使介质的受激辐射恒大于受激吸收等来提高光子简并度，从而达到产生激光的目的。

光腔的反馈作用——光放大器在许多大功率装置中广泛地用来把弱的激光束逐级放大，但在光放大的同时通常还存在着光的损耗，根据研究光强达到稳定的极限值只与放大器本身的参数有关，而与初始光强无关。特别是，不管初始光强多么弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强稳定极限值，而实际上，既不需要给激活物质输入一个弱光信号，也不需要真正把激活物质的长度无限增加，而只要在具有一定长度的光放大器两端放置前述的光学谐振腔。这样，沿轴向传播的光波模在两反射镜间往返传播，就等于增加放大器长度。这种作用称为光学谐振腔的反馈作用。 2

E 2E

1E 入射光21h E E ν=-

1

E 原子吸收入射图2-4原子受激吸收

2.2.2光的受激辐射放大条件

实现光放大的两个条件：①激励能源——把介质中的粒子不断地由低能级抽运到高能级去；②增益介质——能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态。

2.2.3产生激光的基本条件及激光器的组成部分

产生激光的基本条件是：①能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态的增益介质；②要使受激发射光强超过受激吸收，必须实现粒子数反转

2 21

10

g

n n

g

->（方法是利用外界激励能源把大量粒子激励到高能级。）；③要使受激发射光强超过自发发射，必须提高光子简并度n（方法：利用光学谐振腔造成强辐射场，以提高腔内光场的相干性。）。

激光器的组成部分及其作用：一个激光器应包含泵浦源、光放大器和光学谐振腔三部分。其作用分别是使激光物质成为激活物质、对弱光信号进行放大、模式选择和提供轴向光波模的反馈。

三、激光的特性

（一）方向性好

所谓方向性是指光束在传播过程中的发散程度。光束的发散角越小，他的方向性就越好，对于普通光源，比如常见的日光灯，白炽灯，它们的方向性就不好，向四周漫射，可以照亮房间的各个角落。而激光就不一样，它只朝一个方向发射，并且发散角很小，几乎就是一束平行的光，所以方向性好，可以照射远处的物体。我们从地球上发射激光束，可以照亮月球表面，由于发散角小，形成的光斑就小，普通光源做不到这一点……。即使有功率极强的探照灯，能达到月球上，形成的光斑将覆盖整个月球表面。由此可见，激光的方向性要比普通光源好得多。

（二）亮度高

激光发散角很小，因为发散角小，激光的能量就是高度集中，所以亮度很高，激光的亮度能达到太阳光亮度的几百亿倍，我们都知道，用透镜把阳光聚焦，可点燃火柴和纸片，如果把这种高能量的激光用透镜聚焦，可想而知，产生的威力