广东省江门市新会第二中学高中物理 第三章 激光 激光的形成与发展素材.doc

第三章 激光 激光的形成与发展自从六十年代初发明激光器和观察到激光现象以来，激光原理、技术、应用等都获得蓬勃的发展。对基础科学、生命科学、信息科技、军事技术、能源技术，先进制造机器，工农业的发展都已起着很大影响，预期对二十一世纪的科学与技术，国民经济与国防的发展，都将发挥越来愈重要的作用。历史回顾 激光器的发明是与物理学长期基础研究的积累与技术的进步分不开的，至少可追朔到过去的年。首先十九世纪末引起物理学观念的革命，1900年德国物理学家普郎克，最先提出辐射的能量是量子化的概念，解释了黑体辐射的能量分布与光波波长的关系。以后如光电效应等一系列实验结果建立了光的量子论的观念，1913年丹麦物理学玻尔最早用量子论的观念于原子结构的研究，建立起原子中电子运动状态的变化与光辐射的联系，1917年爱因斯坦进而阐述辐射的量子模型时指出，原子中吸收光子只有一个过程，而原子电子发射光子存在两个过程，即自发发射与受激发射，这是首次被理论预言光源发射光子可能被感生辐射或称受激发射，并且指出受激辐射的光子与人射的光子具有相同频率，相同位相，相同偏振，相同传播方向等特性。但对通常光源在通常发光时温度处于平衡态下受激辐射是无法观察到的。因之以后多人在研究观察受激辐射，引入负温度、负吸收等概念，直至1955年由美国科学家唐斯等与苏联科学家普罗霍洛夫等，首次提出三能级模型理论，同年实现了氨分子微波激射器。后来于1958年美国的唐斯与萧洛，前苏联科学家巴索夫、普罗霍洛夫分别提出在红外及可见光波段实现量子放大器的理论。终于1960年首次被美国的梅曼用红宝石作工作介质，用脉冲氙灯作光泵，发明红宝石激光器及观察到激光现象，很快在许多国家的实验室重复了该项实验激光发射过程中辐射的吸收与发射众所周知，物质是由原子构成的，原子是由带正电的核与绕核运动的电子所构成。在微观世界中电子绕核运动能量不能有任意值，只能取某些固定值，为了表达电子的能量状态，通常用符号e来表示，在一般条件下，电子都处于原子中最低态的能量值，称为基态eo，当电子离开基态至能量提升状态时称为激发态（ee），电子由基态至激发态，或由激发态返回基态时，一般伴随有电磁辐射过程，这些辐射可以是可见光、红外线，或紫外线，依赖于二态之间的能量差。与电磁波频率相应的光子能量值为其中e2、e1表示二能级的能量值，为电磁辐射频率，为固定值，称为普郎克常数，其值为h光子是辐射能量的最小单位，一般讲来只有正好符合二能级差的光子才能引起光子与电子间的相互作用，产生电子在不同能级间的跃迁。这些作用过程可分为三种，可用图加以说明。图中代表跃迁机率系数，其中有为自发跃迁机率，为受激跃迁机率，为吸收机率。在外场作用下，若外场光场强度为，则总吸收机率与发射机率为：吸收=为光子密度，发射=，其中、为上下能级的粒子数浓度。在平衡条件下、的比例符合波兹曼分布，即/。其中为波兹曼常数，为绝对温度。激光的输出特性与应用 激光器这一新型光源射出的激光与普通光源发射的光缆有很大的不同，可以概括为方向性好，可以用于人造卫星测距、大坝安装准直、建筑物的准直、矿山开挖的自动跟踪、定向等，这是激光与通常光源的最直观的不同；相干性单色性好，激光的相干性常用于距离测量，全息技术及广泛的一类计量领域；高亮度能量大因而可聚焦激光束能对金属钢板切割、打孔、焊接、合金化、表面热处理，在最硬的材料，如钻石上钻孔，对机体做手术，使原子、分子瞬间离化、分离等。五彩缤纷的激光家族从第一台红宝石激光器发明以来，激光器的种类已进人百花齐放的时代，甚至有人认为，所有物质都可能做成激光介质，构成激光器，无论固体、液体、气体、等离子体、半导体，又无论无机材料、有机材料、聚合物、染料等都可用作工作介质。从运作的时间分类有连续、脉冲、调制、重复脉冲、短脉冲，超短脉冲器件，脉冲的时序已可控制，由锁模，至脉压缩等技术应用，超短脉冲已达皮秒(102秒)及飞秒（飞秒=1015秒）领域，最短的脉冲记录已达.飞秒脉宽，只包括几个光波波长。以功率分类：有小功率，中等功率，大功率，超高功率器件，当前最大功率的器件，连续输出超过一百万瓦，单脉冲输出大于几十万焦耳。用光波波长分类，可分为远红外、红外、近红外、可见、紫外、远紫外、软射线。射线激光器也能运转，其波长几乎覆盖了电磁波的整个波段。此外又可分为单频、稳频、选频、调频、多彼长、多色，直至白光激光器。激光束的质量，即模式也是重要因子，模是电磁场在空间组成的稳定花样，一种模式对应于一种花样，模可分为横模、纵模、单模、多模、选模、锁模器件等等，激光腔的结构不同，调整略有差别，模式则有变化。因为激光器光学谐振腔的长度远大于光波波长，所以是一种多模式的光学谐振腔。此外，激光器的激励方式，由于其能量供给方式不同，又可分为光泵、放电激光器、电子束泵；气体动力激励、化学反应激光器、量子阱激光器、自由电子激光器等等。激光发展的方向在二十一世纪知识经济时代，激光对高科技的影响也将是与日俱增，估计二十一世纪激光对高科技的作用将在：（）生命科学，其中包括激光医学与农业应用，（2）能源科学，其中包括同位素分离。受控核反应发电、太阳能利用中发挥作用，（3）信息科技，尤其在光纤