现代科技导论——激光技术及应用

2008/10/8/10:14来源:资讯网
    概念: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。物理学家把产生激光的机理溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说,即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程。  

    那么激光是如何产生的呢? 

    众所周知,任何一种光源的发光都与其物质内部粒子的运动状态有关。当处于低能级上的粒子(原子、分子或离子)吸收了适当频率外来能量(光)被激发而跃迁到相应的高能级上(受激吸收)后,总是力图跃迁到较低的能级去,同时将多余的能量以光子形式释放出来。如果光是在没有外来光子作用下自发地释放出来的(自发辐射),此时被释放的光即为普通的光(如电灯、霓虹灯等),其特点是光的频率大小、方向和步调都很不一致。但如果是在外来光子直接作用下由高能级向低能级跃迁时将多余的能量以光子形式释放出来(受激辐射),被释放的光子则与外来的入射光子在频率、位相、传播方向等方面完全一致,这就意味着外来光得到了加强,我们称之为光放大。显然,如果通过受激吸收,使处于高能级的粒子数比处于低能级的越多(粒子数反转),这种光的放大现象就越明显,这时就有可能形成激光了。 

    接下来说说激光的特性和特征。 

    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。 

    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。 

    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。 

    3.单色性好 ——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长,是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。而某种激光的波长,只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米,其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好,为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。 

    4.相干性好 ——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性,它必然相干性极好。  

    那人类要怎么控制激光的产生并利用激光呢?那就是下面谈到的激光器。 

    各式各样的激光器. 在光源中,实现能级粒子数反转是实现光放大的前提,也就是产生激光的先决条件。

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