激光入門知識

一、激光產(chǎn)生原理 1、普通光源的發(fā)光——受激吸收和自發(fā)輻射 普通常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽等地發(fā)光）是由于物質(zhì)在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過程是一個“受激吸收”過程。處在高能級（E2)的電子壽命很短（一般為10－8～10－9秒），在沒有外界作用下會自發(fā)地向低能級（E1）躍遷，躍遷時將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為 hυ=E2-E1 這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機(jī)過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無規(guī)則的射向四面八方，另外未位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級有一個寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個范圍。 在通常熱平衡條件下，處于高能級E2上的原子數(shù)密度N2，遠(yuǎn)比處于低能級的原子數(shù)密度低，這是因為處于能級E的原子數(shù)密度N的大小時隨能級E的增加而指數(shù)減小，即N∝exp(-E/kT)，這是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個能級上的原子數(shù)密度比為 N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT} 式中k為波耳茲曼常量，T為絕對溫度。因為E2>E1，所以N2《N1。例如，已知?dú)湓�子基態(tài)能量為E1＝－13.6eV，第一激發(fā)態(tài)能量為E2=-3.4eV，在20℃時，kT≈0.025eV，則 N2/N1∝exp（－400）≈0 可見，在20℃時，全部氫原子幾乎都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光，必須外界提供能量使原子到達(dá)激發(fā)態(tài)，所以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)輻射兩個過程。一般說來，這種光源所輻射光的能量是不強(qiáng)的，加上向四面八方發(fā)射，更使能量分散了。 2、受激輻射和光的放大 由量子理論知識知道，一個能級對應(yīng)電子的一個能量狀態(tài)。電子能量由主量子數(shù)n(n=1,2,…）決定。但是實際描寫原子中電子運(yùn)動狀態(tài)，除能量外，還有軌道角動量L和自旋角動量s，它們都是量子化的，由相應(yīng)的量子數(shù)來描述。對軌道角動量，波爾曾給出了量子化公式Ln＝nh，但這不嚴(yán)格，因這個式子還是在把電子運(yùn)動看作軌道運(yùn)動基礎(chǔ)上得到的。嚴(yán)格的能量量子化以及角動量量子化都應(yīng)該有量子力學(xué)理論來推導(dǎo)。 量子理論告訴我們，電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時只能發(fā)生在l（角動量量子數(shù)）量子數(shù)相差±1的兩個狀態(tài)之間，這就是一種選擇規(guī)則。如果選擇規(guī)則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級，一旦電子被激發(fā)到這種能級上時，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，可使它在這種能級上的壽命很長，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級上。這種能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。但是，在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級，并放出光子。這種過程是被“激”出來的，故稱受激輻射。 受激輻射的概念世愛因斯坦于1917年在推導(dǎo)普朗克的黑體輻射公式時，第一個提出來的。他從理論上預(yù)言了原子發(fā)生受激輻射的可能性，這是激光的基礎(chǔ)。 受激輻射的過程大致如下：原子開始處于高能級E2，當(dāng)一個外來光子所帶的能量hυ正好為某一對能級之差E2-E1,則這原子可以在此外來光子的誘發(fā)下從高能級E2向低能級E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn)，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個光子，就會出射兩個完全相同的光子。這意味著原來光信號被放大這種在受激過程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。 3、粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 一個誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級地原子數(shù)目比處在低能級的還多時，受激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢。由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級的數(shù)目比低能級上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。 二、激光器的結(jié)構(gòu) 激光器一般包括三個部分。 1、激光工作介質(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0.8cm、長約8cm的圓棒。兩端面是一對平行平面鏡，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694.3nm的紅色激光。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1ms，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10kW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。 三、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。另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功率大小分類。 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（YAG）晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm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，氦－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840nm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、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)染料最為工作介質(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，例如常用的有氬離子激光器等。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。 四、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（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw)才打破了沉寂的局面，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（T.H.Maiman）制成了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了波長為694.3nm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)械研究所研制成功。這臺激光器在結(jié)構(gòu)上比梅曼所設(shè)計的有了新的改進(jìn)，尤其是在當(dāng)時我國工業(yè)水平比美國低得多，研制條件十分困難，全靠研究人員自己設(shè)計、動手制造。在這以后，我國的激光技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，并在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。1987年6月，1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)——神光裝置，在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功，多年來為我國的激光聚變研究作出了很好的貢獻(xiàn)。