激光的产生原理及其特性(精)

受激辐射:处在激发态能级上的原子，若有一个外来光子趋 近它，这原子就可能受了外来光子的“刺激”(或者称 “感应”)，从高能级En向基态Em跃迁而辐射出光子，这 个过程称做受激辐射，受激辐射产生的光子和外来光子有 完全相同的特征，就是它们的频率、位相、振动方向和传 播方向都相同,是特征完全相同的相干光.
激光的亮度高和方向性极好的特点，研究啦激光测距仪， 激光雷达和激光准直仪。 下面这个图就是用激光雷达来测量风速的装置
激光加工．在现代工业中，一些强 度大且熔点商的材料的使用相当普 遍。如果进行打孔或切割，用机械 方 法是很困难的。例如．加工手表中 的钻石轴承．是在比芝麻还要小的 钻石上打孔．要求误差不能超过头 发的l／20，目前使用激光来打孔， 比机械打孔的效率提高100倍。 在加工工业中，高功率的c 激光器可 用于打孔．切割与焊接等．通过微 机控制可以作复杂形状的切割． 而低功率的COz激光器可用于切割 塑料、陶瓷和纺织品等．切后边缘 比较平整，不需进一步处理。
激光的产生原理及其特性
生命科学院 张清晨 093210
激光定义：受激辐射光（light amplification by stimulated emission of radiation）放大简称激 光(laser). 一、激光产生的原理
1.原子能级的正常态分布 波尔兹曼分布定律 En kT Nn=N0exp（ ） Nn为处在能量为En能级的原子数、N0为原子总数、k为波 尔兹曼常 数、T为绝对温度.
激光的应用
• • • • • • • • • • 激光的方向性好。由于受嫩辐射的光子与外来光子的传播方向完垒相同，所 以几乎是理想的平行光．其 发散角不大于1 。一根掇细的激光束．在射出lkm基本上不发散．射出lOkm， 光斑的直径也其有8．cm，射判距地 球3．8×10 km的月球上，光斑的直径约为3km。 激光的单色性好．白光是复色光· 其渡长从3900~．到7"tO0．~，波长范匿是 3800A ，钠光订产生的钠黄光的 波长范围是4^ ，氖灯是较好的单色光源，波长范围是5×10 ^。而氨氖激光 器发出的激光波长范围是l0^ 。 激光的亮度授高。一台大型红宝石激光器的亮度比太阳的亮度高200亿倍，只 有氢弹爆炸的一瞬间发出 的光才能与它相比。激光又是理想的平行光．当它通过凸透镜时，就会聚到 透镜的焦点上．焦点附打很小范嗣 内的温度可达凡千度甚至几万度．足以把金属或非金属熔化和汽化。 激光的相干性好．受激辐射出的光子与外来光子具有相同的频率、振幅、偏 振和相位，激光的相干长度可 达几米甚至几十米。
• 四能级系统
4.光学谐振腔:“粒子数反转分布”仅仅 是实现光放大的条件，要获得激光输 出，还必须把光的放大转化为光的振 荡。利用反馈的概念，把放大了的光 反馈一部分回来进一步放大，即可产 生振荡。这就需要一个光学谐振腔 (Optical resonance cavity)
二、激光的特性
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。
3.粒子数反转分布 必须使光受激辐射占优势，就是要原子在能级上的分 布一反常态，使处于高能级的原子数目远远多于低能级的 原子数目，通常把这种分布叫做“粒子数反转分 布” (inverse distribution of particles) 。工作物质 的粒子数反转分布是产生激光的必要条件。
• 三能级系统
激光在医学上的应用．激光可用来治疗视罔膜破裂 青光眼、校正近视眼 清路血管中的血拴等戎房，还 可治疗黑色掌皮肤癌和恶性血管肿瘤等．用激光束 做手术．手术后感染事低，伤口寂合快．
澈光武器．叉名死光武器．它的子 弹是光子．速度是3xloIm／s．一旦 瞄准目标，几乎不用多少时间就可 把目标摧毁．激光武器的破坏作用 有两十方面．一是高能激光束的机 械破坏作用．使飞机或卫星的重要 部件穿 孔而损坏，二是激光的光学破坏作 用．凳胃陆军正在发展PL 一s激光 武器，可装到M —l6步枪上．它能 使敲 ^双目失明而丧失战斗力，还能探测 和破坏敲^的光学传感器．据 算， 飞机驾驶员被激光致盲lO-3Os，就 可 导承飞机坠毁．
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。激光的 这一特性使全息照相成为现实。 ——所谓激光技术，就 是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些 特性为人类造福的技术的总பைடு நூலகம்。自1960年美国研制成功世 界上第一台红宝石激光器，我国也于1961年研制成功国产 首台红宝石激光器以来，激光技术被认为是20世纪继量子 物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计 算机技术之后的又一重大科学技术新成就。30多年来，激 光技术得到突飞猛进的发展，不仅研制了各个特色的多种 多样的激光器，而且激光应用领域不断拓展，并形成了激 光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光 照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激 光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的“带头技 术”之一。 5.偏振性好、高电磁场强度。
2.自发辐射、受激吸收和受激辐射
自发辐射:自发辐射的过程与外界作用无关，各个原于的辐 射都是自发地、独立地进行的，因而各个光子的发射方向 和初位相都不相同。此外，由于大量原子所处的激发态不 尽相同，可以发出不同频率的光，这是普通光源发光机理。 由此可见，自发辐射的光一般总不是单色光，而且不是相 干光。
激光通信．又叫做光纤通信．它是刺用比头发还细的玻璃纤 维来传播光信号的．光纤通信的优点是t频带 宽，通信容量大，传输速度快．一根光鲆可同时传送l0”路电 话和l0’套彩电节目．而一根普通导线只能同时通 2—3路电话．目前．应用光奸敖据传输速度为3．4Gblt／s， 而实验室试验光纤的速度已达16Gblt／s．整套大英百 科全书的内窖可在不到一秒的时J可内传送完毕．