激光原理與應(yīng)用
激光(Laser),它指通過(guò)受激輻射放大和必要的反饋,產(chǎn)生準(zhǔn)直、單色、相干的光束的過(guò)程及儀器。
激光(Laser),它指通過(guò)受激輻射放大和必要的反饋,產(chǎn)生準(zhǔn)直、單色、相干的光束的過(guò)程及儀器。而基本上,產(chǎn)生激光需要"共振腔"(resonator)、"增益介質(zhì)"(gain medium)以及"激發(fā)來(lái)源"(pumping source)這三個(gè)要素。
一、原理 原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為不同的能級(jí),當(dāng)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí),會(huì)釋放出相應(yīng)能量的光子(所謂自發(fā)輻射)。同樣的,當(dāng)一個(gè)光子入射到一個(gè)能級(jí)系統(tǒng)并為之吸收的話,會(huì)導(dǎo)致原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷(所謂受激吸收);然后,部分躍遷到高能級(jí)的原子又會(huì)躍遷到低能級(jí)并釋放出光子(所謂受激輻射)。這些運(yùn)動(dòng)不是孤立的,而往往是同時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)我們創(chuàng)造一種條件,譬如采用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)、共振腔、足夠的外部電場(chǎng),受激輻射得到放大從而比受激吸收要多,那么總體而言,就會(huì)有光子射出,從而產(chǎn)生激光。 二、分類 根據(jù)產(chǎn)生激光的媒質(zhì),可以把激光器分為液體激光器、氣體激光器和固體激光器等。而現(xiàn)在最常見的半導(dǎo)體激光器算是固體激光器的一種。 三、構(gòu)成 激光器大多由激勵(lì)系統(tǒng)、激光物質(zhì)和光學(xué)諧振腔三部分組成。激勵(lì)系統(tǒng)就是產(chǎn)生光能、電能或化學(xué)能的裝置。目前使用的激勵(lì)手段,主要有光照、通電或化學(xué)反應(yīng)等。激光物質(zhì)是能夠產(chǎn)生激光的物質(zhì),如紅寶石、鈹玻璃、氖氣、半導(dǎo)體、有機(jī)染料等。光學(xué)諧振控的作用,是用來(lái)加強(qiáng)輸出激光的亮度,調(diào)節(jié)和選定激光的波長(zhǎng)和方向等。 四、應(yīng)用 激光應(yīng)用很廣泛,主要有 fiber communication, 激光測(cè)距、激光切割、激光武器、激光唱片等等。 五、歷史 1958年,美國(guó)科學(xué)家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)了一種神奇的現(xiàn)象:當(dāng)他們將內(nèi)光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時(shí),晶體的分子會(huì)發(fā)出鮮艷的、始終會(huì)聚在一起的強(qiáng)光。根據(jù)這一現(xiàn)象,他們提出了"激光原理",即物質(zhì)在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激勵(lì)時(shí),都會(huì)產(chǎn)生這種不發(fā)散的強(qiáng)光--激光。他們?yōu)榇税l(fā)現(xiàn)了重要論文。 肖洛和湯斯的研究成果發(fā)表之后,各國(guó)科學(xué)家紛紛提出各種實(shí)驗(yàn)方案,但都未獲成功。1960年5月15日,美國(guó)加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了波長(zhǎng)為0.6943微米的激光,這是人類有史以來(lái)獲得的第一束激光,梅曼因而也成為世界上第一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家。 1960年7月7日,梅曼宣布世界上第一臺(tái)激光器由誕生,梅曼的方案是,利用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管,來(lái)刺激在紅寶石色水晶里的鉻原子,從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱,當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí),可使其達(dá)到比太陽(yáng)表面還高的溫度。 前蘇聯(lián)科學(xué)家H.Γ.巴索夫于1960年發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。其特點(diǎn)是:尺寸小,耦合效率高,響應(yīng)速度快,波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適配,可直接調(diào)制,相干性好。 六、激光的一些主要應(yīng)用方向 (l)激光通信 用光傳遞信息,在今天十分普遍。比如,艦船用燈語(yǔ)通信,交通燈用紅、黃、綠三色調(diào)度。但是所有這些用普通光傳遞信息的方式,都只能局限在短距離內(nèi)。要想把信息通過(guò)光直接傳遞到遙遠(yuǎn)的地方,就不能用普通光,而只能動(dòng)用激光。 |
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