激光的基礎(chǔ)知識

1、激光的基礎(chǔ)知識相信激光這名詞對大家來說一點(diǎn)也不陌生。在日常生活中，我 們常常接觸到激光，例如在課堂上我們所用的激光指示器，與及在 計 算機(jī)或音響組合中用來讀取光盤資料的光驅(qū)等等。在工業(yè)上，激 光常用于切割或微細(xì)加工。在軍事上，激光被用來攔截導(dǎo)彈?？?學(xué)家也利用激光非常準(zhǔn)確地測量了地球和月球的距離，涉及的誤差只 有幾厘米。激光的用途那么廣泛，究竟它有哪些特點(diǎn)，又是如何產(chǎn) 生的呢？以下我們將會闡釋激光的基本特點(diǎn)和基本原理。激光的特性高亮度、高方向性、高單色性和高相干性是激光的四大特性。（1）激光的高亮度：固體激光器的亮度更可高達(dá)10112。不 僅如此，具有高亮度的激光束經(jīng)透鏡聚焦后，能在焦點(diǎn)附近產(chǎn)

2、生數(shù)千 度乃至上萬度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。（2）激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地傳遞 較長距離的同時，還能保證聚焦得到極高的功率密度，這兩點(diǎn)都是 激光加工的重要條件。（3）激光的高單色性：由于激光的單色性極高，從而保證了 光束能精確地聚焦到焦點(diǎn)上，得到很高的功率密度。（4）激光的高相干性：相干性主要描述光波各個部分的相位 關(guān)系。正是激光具有如上所述的奇異特性因此在生活、工業(yè)加工、軍 事、科研等領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。激光產(chǎn)生原理激光的發(fā)展有很長的歷史，它 的原理早在1917年已被著名的物 理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到 1958年激光才被首次成功制造。激光英文名是

3、，即的縮寫。激光的英 文全名已完全表達(dá)了制造激光的主要過程。但在闡釋這個過程之 前，我們必先了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，與及光的輻射和吸收的原理。物質(zhì)由原子組成。圖一是一個碳原子的示意圖。原子的中心是 原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子則不帶電。原子 的外圍布滿著帶負(fù)電的電子，繞著原子核運(yùn)動。有趣的是，電子在 原子中的能量并不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們， 這些 電子會處于一些固定的能級，不同的能級對應(yīng)于不同的電 子能量。為了簡單起見，我們可以如圖一所示，把這些能級想象成 一些繞著原子核的軌道，距離原子核越遠(yuǎn)的軌道能量越高。此外， 不同軌道最多可容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道

4、(也是最 近原子核的軌道)最多只可容納2個電子，較高的軌道則可容納8 個電子等等。事實上，這個過份簡化了的模型并不是完全正確的1，但它足以幫助我們說明激光的基本原理。目發(fā)曖收自發(fā)堰肘壹激輻射(a)(6)(c)電子可以透過吸收或釋放能量從一個能級躍遷至另一個能級。例如當(dāng)電子吸收了一個光子2時，它便可能從一個較低的能級躍遷 至一個較高的能級（圖二a）。同樣地，一個位于高能級的電子也 會透 過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能級（圖二b）。在這些過程 中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能級的能量差相等。由 于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏 色。當(dāng)原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能

5、階時，整個原子的能量最 低，我們稱原子處于基態(tài)。圖一顯示了碳原子處于基態(tài)時電子的排列 狀況。當(dāng)一個或多個電子處于較高的能階時，我們稱原子處于受激 態(tài)。前面說過，電子可透過吸收或釋放在能階之間躍遷。躍遷又可 分為三種形式：（1）自發(fā)吸收-電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階（圖二 a）。（2）自發(fā)輻射-電子自發(fā)地透過釋放光子從高能階躍遷到較 低能階（圖二b）。（3）受激輻射-光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能 階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波 長和相，此波長對應(yīng)于兩個能階的能量差。一個 光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩 個相同的光子（圖二c）。激光基本上就是由第三種躍

6、遷機(jī)制所產(chǎn)生的。產(chǎn)生激光還有一個巧妙之處，就是要實現(xiàn)所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀 態(tài)。以紅寶石激光為例（圖三），圖三粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀原子首先吸收能量，躍遷至受激態(tài)。原子處于受激態(tài)的時間非常短， 大約10-7秒后，它便會落到一個稱為亞穩(wěn)態(tài)的中間狀態(tài)。原子停留 在亞穩(wěn)態(tài)的時間很長，大約是10-3秒或更長的時間。電子長時間留 在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此現(xiàn)象 稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵，因為它使透過受激 輻射由亞穩(wěn)態(tài)回到基態(tài)的原子，比透過自發(fā)吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài) 的原子為多，從而保證了介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，以輸出激光。激光器的結(jié)構(gòu)激光器一般包括三個部分。1、激光工作

7、介質(zhì)激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、 液體、固體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造 獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)世 非常有利的?，F(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫 外道遠(yuǎn)紅外，非常廣泛。2、激勵源為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激 勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的 辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵；也可用 脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵；還有熱激勵、化學(xué)激勵等。 各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出， 必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級

8、的粒子數(shù)比下能級多。3、諧振腔 有了合適的工作物質(zhì)和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣 產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無法實際應(yīng)用。于是人們就想到了用 光學(xué) 諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、 少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作 介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中 來回振 蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，從 部分反射鏡子一端輸出。下面以紅寶石激光器為例來說明激光的形成。工作物質(zhì)是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價鉻離子的三氧化二鋁晶體。實際 是 摻入

9、質(zhì)量比約為0.05%的氧化鉻。由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍(lán) 光，所以寶石呈粉紅色。1960年梅曼發(fā)明的激光器所產(chǎn)用的紅寶石是一根直徑8、長約8的兩端面是一對平行平面鏡，圖四激光器結(jié)構(gòu)圖一端鍍 上全反射膜，一端有10%的透射率，可讓激光透出。紅寶石激光器中，用高壓氙燈作“泵浦”，利用氙燈所發(fā)出的強(qiáng) 光激發(fā)鉻離子到達(dá)激發(fā)態(tài)E3,被抽運(yùn)到E3上的電子很快（10- 8s）通 過無輻射躍遷到E2。E2是亞穩(wěn)態(tài)能級，E2到E1的自發(fā)輻 射幾率很小，壽命長達(dá)10-3s, 即允許粒子停留較長時間。于是，粒子就在E2上積聚起來，實現(xiàn)E2和E1 兩能級上的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。從E2到E1受激發(fā)射的波長是694.3的 紅

10、色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一個光脈沖的持續(xù)時間不到 1，每個光脈沖能量在10J以上；也就是說，每個脈沖激光的功率可 超過10的數(shù)量級。注意到上述鉻離子從激發(fā)到發(fā)出激光的過程中涉 及到三條能級，故稱為三能級系統(tǒng)。由于在三能級系統(tǒng)中，下能級E1 是 基態(tài)，通常情況下積聚大量原子，所以要達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，要有相 當(dāng)強(qiáng)的激勵才行。從上面的敘述中我們注意到，激光器要工作必須具備三個基本 條件，即激光物質(zhì)、光諧振器和泵浦源，其基本結(jié)構(gòu)如圖四所示。通過泵浦源將能量輸入激光物質(zhì)，使其實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由自 發(fā)輻射產(chǎn)生的微弱的光在激光物質(zhì)中得以放大，由于激光物質(zhì)兩端放 置了反射鏡，有一部分符合條件的光就

11、能夠反饋回來再參加激勵，這 時被激勵的光就產(chǎn)生振蕩，經(jīng)過多次激勵，從右端反射鏡中投射出 來的光就是單色性、方向性、相干性都很好的高亮度的激光。不同類 型的激光器在發(fā)光物質(zhì)、反射鏡以及泵浦源等方面所用材料有所區(qū) 別，下文提到的各種激光器也正是基于這些不同進(jìn)行分類的。激光器的種類對激光器有不同的分類方法，一般按工作介質(zhì)的不同來分類， 在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。1、固體激光器一般講，固體激光器具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率 大的特點(diǎn)。這種激光器的工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中 均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還 有釔鋁石榴石（

12、）晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發(fā)射1060的 近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功 率可達(dá)109W。2、氣體激光器氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低；操作方便；工作介質(zhì)均 勻，光束質(zhì)量好；以及能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點(diǎn)。這也是 目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器，占有市場達(dá)60%左右。其 中，氨一氖激光器是最常用的一種。3、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。目前 較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840的激光。另有摻鋁的砷化鎵、 硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵方式有光泵浦、電激勵等。這種激光器 體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅固，特別適于在飛機(jī)、車輛

13、、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術(shù)的發(fā) 展大大推動了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。4、液體激光器常用的是染料激光器，采用有機(jī)染料為工作介質(zhì)。大 多數(shù)情況是把有 機(jī)染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也 有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光（在可見光 范圍）。染料激 光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氯離子 激光器等。液體激光器工作原理比較復(fù)雜。輸出波長連續(xù)可調(diào)，且 覆蓋面寬是它的優(yōu)點(diǎn)，使它也得到廣泛應(yīng)用激光簡史和我國的激光技術(shù)自愛因斯坦1917年提出受激輻射概念后，足足經(jīng)過了 40年， 直到1958年，美國兩位微波領(lǐng)域的科學(xué)家湯斯（）和肖洛（）才打 破了沉寂的

14、局面，發(fā)表了著名論文紅外與光學(xué)激射器，指出了受 激輻射為主的發(fā)光的可能性，以及必要條件事實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。 他們的論文史在光學(xué)領(lǐng)域工作的科學(xué)家馬上興奮起來，紛紛提出各種 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實驗方案，從此開辟了嶄新的激光研究領(lǐng)域。同年蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫和普羅霍羅夫發(fā)表了實現(xiàn)三能級粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器建議論文，1959年9月湯斯又提出了制造 紅寶石激光器的建議1960年5月15日加州休斯實驗室的梅 曼（）制成了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了波長為694.3的 激光。梅曼是利用紅寶石進(jìn)體做發(fā)光材料，用發(fā)光密度很高的脈沖氙 燈做激發(fā) 光源（如圖所示），實際他的研究早在1957年就開始了， 多年的努力終于活動了歷史上第一束激光。1964年，湯斯、巴索夫 和普羅霍夫由于對激光研究的貢獻(xiàn)分享了諾貝爾物理學(xué)獎。中國第一臺紅寶石激光器于1961年8月在中國科學(xué)院長春光學(xué) 精密機(jī)械研究所研