物理科普
 

激光原理

时间:2016-04-16  来源:  作者:

  波尔早在研究氢原子时就关于光与物质的相互作用提出了两个非常重要的概念:受激吸收与自发辐射。受激吸收即粒子吸收一个光子由低能级跃迁到高能级,自发辐射即高能级粒子不稳定,会自发跃迁到低能级,同时放出一个光子。爱因斯坦于1917年提出了光与物质相互作用的第三种方式:受激辐射。即高能级粒子在一个外来光子的诱导下会跃迁到低能级,同时释放一个与诱导光子完全相同的光子,也就是实现了光放大。受激辐射理论为激光的出现奠定了理论基础(爱因斯坦由此导出了普朗克的黑体辐射公式)。

  受激辐射的发现表明,当一束光射向介质时,有可能存在这样一种情况:它非但不会衰减,反而能诱导引发出新的光子,而且新的光子的频率、相位、偏振状态、传播方向等均与如射光束完全相同,也就是说光通过某种介质可以实现受激辐射的光放大。

  由吸收与受激辐射的关系可得到粒子数反转、增益等概念。在一般的热平衡介质中,低能级上分布的粒子数占据了绝对优势,故一般情况下,光通过介质不会被放大,要想实现光放大,就必须设法使粒子大部分跃迁到高能级上,并能在高能级上滞留足够长的时间。也就是说,受激辐射必须大于受激吸收。当处于高能级的粒子多于低能级粒子时,称为粒子数反转(或粒子数布居反转),这是一种非平衡态,若仍用经典的玻尔兹曼平衡分布表达式,这种介质就必须用“负绝对温度”来描述了(因此有人通俗的将负温度说成比无穷大更高的温度)。

  实现了粒子数反转的介质称为激活介质,光子在激活介质中传播,光强会随距离的增加指数增长。为了产生并维持介质的激活状态,就需要外界通过适当方式不断将低能级原子抽运到高能级(称为泵浦),比如:气体放电、闪光灯、化学反应、核能等(依靠加热是不可能的,可通俗的认为加热不可能将温度升高到比无穷大还高的温度)。

  仅仅有了激活介质还不够,因为它会对所有方向的光都有放大作用,产生杂乱无章的输出。这就需要一个新的部件:光学谐振腔。一般它由一个全反射凹面镜和一个99%反射、1%透射的凹面镜组成,光在两面镜子间来回反射,并不断放大,只要谐振腔满足一定条件,就可以产生稳定的激光。也就是说,激活介质与光学谐振腔是产生激光的必要条件。

  自从1960年梅曼演示了第一台红宝石激光器以来,激光器件得到了前所未有的发展。各种各样的激光器层出不穷。从与微波接壤的远红外激光一直延续到软X射线激光,以介质来分可分为:气体、液体、固体、等离子体、半导体、染料、自由电子、准分子等,从泵浦方式分可分为:电激励、化学反应激励、核能激励、光激励等,功率方面小到微瓦(用于光互联、光计算等)大到太瓦(用于激光核聚变),有连续输出,也有4fs的超短脉冲……

  目前应用最广泛的气体激光器是He-Ne激光器,激光是Ne原子受激辐射产生的。可以产生632.8nm的激光,功率只有几个毫瓦到几十毫瓦,但它有很好的光谱特性,在精密测量方面具有重要应用。目前应用最广泛的激光器是半导体激光器,它是1962年由四个小组的科学家同时研制成功的,由于具有体积小、耗电少、电压低、效率高等优点而获得了广泛应用。又由于近年来半导体材料科学与技术、微电子科学与技术的成就,半导体激光器产量占了各类激光器的99%以上,又因为它具有寿命长、功率高、易调制、响应快等优点,在光通信、光存储、光计算等信息科学领域有广泛应用,一个新兴的光子学正在兴起并快速发展。

  人们对电磁波的研究不仅加深了对物质运动规律的认识,也不断开发出一些改变世界的技术:对无线电的研究导致了广播、电视、远程通信的发展;对微波的开发导致了雷达、导航、射频加速器、波谱学、和物力、航天技术的发展;对X射线的研究使之很快应用到透视、探伤、晶体结构、集成电路光刻等方面,而激光的发明开发了一种由远红外到软X射线的强电磁波源,由此而发展的激光加工、激光通信等得到了广泛应用,毫不夸张的说,光是我们认识世界的最好工具。

  量子力学为光学注入了新鲜血液,相对论自然也不示弱。相对论与光学的结合:又一个化腐朽为神奇的故事……
 

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