激光技術基礎

　　光是被我們熟知的，自然界的光為人們帶來黑白晝夜，人們利用光從事各種實踐活動，迄今又有很大發(fā)展，它不僅應用于生活，而且還用于生產、醫(yī)學等各個方面。 　　一、激光的本質 　　人類對光的認識，經歷了一個曲折的認識過程。英國物理學家牛頓，在德國天文學家開普勒等人的理論基礎上，進一步提出了光是從源中發(fā)出的微粒，構成一種特殊的物質，光的顏色是由微粒的大小而定的。但在同一世紀中，荷蘭物理學家惠更斯，提出了與牛頓微粒理論截然不同的理論，既光的波動理論。他認為光是一種波，而不是什么微粒，還認為光在水、空氣等物體里有一種特殊的物質“以太”。 　　由于牛頓的微粒說和惠更斯的波動說都可闡明一定的現象。所以在當時的科學技術水平中不能定出哪一個學說的理論更加優(yōu)越。因當時牛頓在科學界的貢獻大而其威信極高，光的微粒學說占了上風。致惠更斯的波動學說的觀點被忽視，甚至被遺忘了近百年之久。 　　一世紀以后，有人使用雙縫干涉實驗，測出了可見光的相應波長。于是光的波動學說戰(zhàn)勝了光的微粒學說而居于主導地位。到了十九世紀中期，電磁理論得到大力發(fā)展，英國的物理學家麥克期韋當時根據電磁理論，推斷光也是一種電磁波。并推算出電磁波的傳播速度為每秒30萬公里，而且使推斷得以證實。后來，德國一位名叫普朗克的人在做了大量的實驗后又提出了電磁波這種形式的能量輻射。從而使人們認識到電磁波是某種粒子，既光量子。為了強調光的粒子屬性，光量子被稱之為“光子”。光子的質量在運動中顯示出來。 　　光的基本特性，從光的量子理論可以得知，輻射的頻率為光子的能量。從波動理論可以了解到。不同的振動波，其頻率r是不一樣的。量子理論又說明，在其間存在著E＝hr關系。表明了光具有波動性和微粒性兩重屬性。這就使人們對光的波動性和微粒性兩個矛盾，得以辨證統(tǒng)一起來，并用以敘述光的本質。但是，人類對光的本質認識將進一步得以深化。 　　二、什么是激光 　　激光簡稱萊塞laser.即Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation各字頭的縮寫，中文意思是受激輻射光放大。在本世紀60年代中發(fā)展最活躍的科學技術領域之一。激光是一種特殊的光源。正如我們了解到的陽光、燈光等，都是向四面八方輻射的，沒有一個確定的方向傳播。但激光具有高亮度、單色性、方向性及相干性好等特點。廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、科學技術、國防等。但在醫(yī)療方面的應用更廣闊。為了能很好的了解激光，就必須了解物質的分子、原子結構。 　　三、原子結構與光譜 　　1．原子結構　一切物質中我們都知道，分子是由原子組成的，而原子又是由原子核和電子構成。原子核帶正電荷，電子帶負電荷。原子核中所帶的正電荷與核外電子帶的負電荷在數值正相等，其代數和是零，使整體的原子呈中性。原子核是原子的核心，它的密度很大，不計核外電子質量，那么原子的質量就可以由核的質量來決定。核外電子一面繞原子核轉，一面不停的自轉。這樣的運動與太陽系中各個星球圍繞太陽的旋轉相似。 　　原子核由帶正電的質子及不帶電的中子組成，在核內質子與中子的數目是相等的，每個質子與電子所帶的電量相等，所以使原子整體呈中性。在原子核周圍的電子是由靜電引力把它們吸引在原子核的周圍。并且電子與原子核保持一定距離。在某種原因的作用下失去核外電子，使原子轉變成離子而帶電。即具有電的性質。 　　原子核外的電子排列比較規(guī)律，不是雜亂無章地排列，是以不同層次及不同軌道排列。最靠近原子核的第一層電子與原子核的結合力最強，離原子核越遠的電子層，電子與原子核之間的作用力就越小，由于二者之間的作用力越小，越容易推動電子。外層電子與原子核的結合力松散。因此在較小能量的作用下電子就可以脫離原子核，使原子變成離子。在化學反應中最外層電子為價電子。在光學中，最外層電子參與光學過程，如光的吸出，光的發(fā)射等，因此在光學中最外層電子叫光學電子。光電子與價電子指的是同一電子。 　　2．能級和狀態(tài)原子核中電子總是不停地在自動軌道上運動，由于電子的運動時產生一定的動能，電子被核吸引則有一定勢能，這兩個能在原子中構成了原子內能。內能取決于核外電子與核的距離，距離增大，內能增大，反之縮小。由于核與電子距離對內能有影響，那么原子內的電子從一個自行軌道跳躍到另一軌道，這就反應了整個原子內能量的變化。一般表示原子能量的方法是把能量的大小，按比例畫出數條橫線，每一條線代表一個能量值。從而體現出原子能量的不斷連續(xù)性只有在這些橫線上能量存在。其它的地方無能量。這主要是由于原子中的電子運動的軌道是固定的。每一橫線叫做原子的一個能級，把這些線畫在坐標軸中，所形成的圖為原子能級圖。實際上要比這復雜。最下面的能級為E1，在E1能級上原子的能量狀態(tài)叫原子基態(tài)，基態(tài)以上的能級叫高能級，如E2、E3…，都為激發(fā)態(tài)。一般正常情況下大多數原子都處于低能級上，只有少數在高能級中。 　　近代物理學中已經知道，原子核外的電子是以主量子數n，角量子數L，磁量子數m和自旋量子數s來排布。并遵循泡利不相容原理和能量最低原理逐步添滿各層電子。 　　3．原子光譜　在正常的條件下原子外層電子總是處于最低能級軌道，以保持穩(wěn)定狀態(tài)。當外界有足夠的力量作用于基態(tài)的原子時就可以使基態(tài)原子中的電子從它所在的軌道能級躍遷到外層高能級的軌道。這種由低能級跳躍到高能級過程叫激發(fā)。激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，總要從高能級回到低能級，以致回到基態(tài)的趨勢。當原子從高能級躍遷到低能級時把所吸收的能量以光波的形式發(fā)散出來，形成大家熟知的發(fā)光現象。原子所吸收的能量，還是原子所放出的能量，都是相應能級上的能量之差。即r＝1/h(En－Ek)，在此公式中r是發(fā)射光波的頻率，h是普朗克常數（6.623×10-24J/S），En是原子在高能級上的能量，Ek是過渡到低能級上的能量。從能量之差，可以了解到，原子核中的電子躍遷越高，在復回原級位置上時，釋放的能量就越高。因此這就是產生原子光譜的原因。