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相信激光这名词对大家来说一点儿也不陌生。在日常生活中,我们常常会接触到各种激光,例如条码读取器,激光美容,和电脑中来读取数据的光碟机等等。在工业中激光常用来切割和微细加工,在军事中激光武器更是层出不穷,小到夜视激光,大到自动拦截导弹的激光武器。科学家们也利用激光测量地球与其它星体的距离,误差仅有几米。激光的用途如此广泛,究竟它是如何产生和发生作用的呢?下面让我们来探索以下其本质。

激光的发展规律已有较长的历史,它的原理早在1817年已被伟大的物理学家爱因斯坦发现,但直到1959年才有首次成功制造--红宝石激光器。

激光的英文名称为Laser,即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的缩写。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。但在阐述此过程前,我们最好了解一下物质的结构以及光的辐射和吸收原理。

碳原子示意圖
图一  碳原子示意图

物质是由原子组成,图一是一个碳原子的示意图,原子的中心为原子核,由质子和中子组成。质子带正电荷,中子不带电,原子的周围布满了带负电的电子,绕着原子作无规则的运动。有趣的是,电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子学告诉我们这些电子会处在一些固定的阶层,不同的能阶对应于不同的电子能量。为了简单起见,我们可以如图一所示,把这些能阶想象成一些绕着原子核的轨道,距离原子核的轨道能量越高。此外,不同轨道最多能容纳2个电子。较高的轨道则可容纳8个电子等。事实上,这些过分简化的模型有不足之处,但它可以帮助我们理解激光的原理。

电子可以通过吸收或释放能量从一个能阶跃迁到另一个能阶。例如在电子吸收了一个光子,它便有可能从一个较低的能阶跃迁到一个较高的能阶(如图二a)。同样的,一个位于高能阶的电子也可通过发射一个光子跃迁到一个较低能阶(如图二b)。在这些过程中,电子吸收或释放的光子能量总是与这两个阶层的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长,因此。吸收或释放的光具有固定的颜色。
原子內電子的躍遷過程
图二 原子内电子的跃迁过程
当原子内所有电子处于可能的最低能阶时,整个原子的能量最低,我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时,我们称原子处于受激状态。根据前面介绍跃迁可分为三种形式:

  1. 自发吸收 - 电子通过吸收光子从低能阶跃迁到较高能阶(图二a)。
  2. 自发辐射 - 电子自发地通过释放光子从高能阶跃迁到低能阶(图二b)。
  3. 受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶,并释放光子。入射光子与释放光子有相同的波长和相位。此波长应等于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子,最后就变成了两个光子(如图二c)。
红宝石激光的示意图
图三   红宝石激光的示意图。

粒子数反转的状态
图四  粒子数反转的状态。

普通灯光与激光的比较
图五  普通灯光与激光的比较。

 
  1. 激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。图三所示红宝石激光的原理,它由一支闪光灯,激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体,当中有微量的铬原子。在开始时,闪光灯发出的光射入激光介质,使激光介质中的铬原子受到激发,最外层的电子跃迁到受激态。此时,有些电子会透过释放光子,回到较低的能阶。而释放出的光子会被位于激光介质两端的镜子来回反射,诱发更多的电子进行受激辐射,使激光的强度增加。位在两端的其中一面镜子会把全部光子反射,另一面镜子则会把大部分光子反射,并让其余小部分光子穿过;而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。

    产生激光还有一个巧妙之处,就是要实现所谓粒子数反转的状态。经红宝石激光为例(图四),原子首先吸收能量,跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短,大约10-17秒后,它便会落到一个称为亚稳态的中间状态,原子停留在亚稳态的时间很长,大约是10-13秒或更长,的时间。电子长时间留在亚稳态,导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目,此现象称为粒子反转。粒子数反转是产生激光的关键,因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子,比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多,从而保证了介质内的光子可以增多,以输出激光。
    激光透过受激辐射产生,有以下三大特性(图五):激光是单色的,在整个产生的机制中,只会产生一种波长的光。这与普通的光不同,例如,阳光和灯光都是由多种波长的光合成,接近于白光。。 激光是相干的,所有的光子都有相同的相位,相同的偏振,它们叠加起来便产生很大的强度。而在日常生活中所见的光,它们的相位和偏振是随机的,相对于激光,这些光就很弱。
  2. 激光的光束很狭窄,并且十分集中,所以有很强的威力。相反,灯光分散向各个方向传播,所以强度很低。
以能量划分,激光可分为三类,第一类是低能量激光,这类激光通常以气体为激光介质,例如条码扫描器,采用氦、氖两种气体作激光介质。第二类是中能量激光,如课堂中使用的激光笔等。第三类是高能量以能量激光,其一般采用体作介质,输出功率可高达500mW。用于热核聚变实验的激光可发射出时间极短但能量极高的激光脉冲,其脉冲功率竟可高达 1014W!这种激光可产生一亿度的高温,引发微粒状的氘-氚燃料进行热核聚变。
 
 
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