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激光 理论 培训培训目的：模糊 业余一 了解激光发展史二 激光如何产生的1. 激光器的产生和发展2. 激光的相关名词解释3. 激光的原理简介4. 产生激光的五个条件5. 激光的特性一 激光器的产生和发展1. 激光学是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科，是继原子能、计算机和半导体技术之后的重大科技成果之一。被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。2. 激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。3. 1916年 爱因斯坦提出的“自发和受激辐射”理论是现代激光系统的物理学基础。注释：爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表关于辐射的量子理论。文章提出了激光辐射理论，而这正是激光理论的核心基础。因此爱因斯坦被认为是激光理论之父。4. 1960年 梅曼（Theodore Maiman）成功地应用人工合成的淡红色宝石晶体制造出世界上第一台激光器，为输出波长694.3nm，脉能400mJ的相干光，被称做激光。为了表明其威力，Maiman用毫米波的脉冲激光在一打剃须刀片上成功地进行了一次钻孔实验。注释：1960年5月15日，在休斯公司的一个研究室里，年轻的美国物理学家梅曼正在进行一项重要的实验。他的实验装置里有一根人造红宝石棒。突然，一束深红色的亮光从装置中射出，它的亮度是太阳表面的4倍！这是一种完全新型的光，科学家渴望多年而自然界中并不存在的光，5. 1961年， Java等研制成功了波长1150nm、近红外线的氦氖（HeNe）激光器；同年，Johnson发明了掺铷钇铝石榴石（Nd ：YAG）激光器；6. 1962年， Bennett研制成功了波长为488nm的氩（Argon）激光器；7. 1964年， Pate等又发明了二氧化碳（CO2）激光器。随后，多种固体、气体和半导体激光器相继问世，标志着一门新兴学科激光技术的形成。8. 1961年 我国研制出第一台红宝石激光器。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。二 激光相关名词解释注释：在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的光子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。若位于高能级的原子远远多于位于低能级的原子，我们就得到被高度放大的光。但是，在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布率。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。 所谓非热平衡体系，是指热运动并没有达到平衡、整个体系不存在一个恒定温度的原子体系。这种体系的原子数目按能级的分布不服从玻尔兹曼分布率，位于高能级上的原子数目有可能大于位于低能级上的原子数目。这种状态称为“粒子数反转”。如何才能达到粒子数反转状态呢？这需要利用激活媒质。所谓激活媒质(也称为放大媒质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体，也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为108109秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 h=E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。 在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即Nexp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为 N2/N1exp-(E2-E1)/kT 式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2E1，所以N2N1。例如，已知氢原子基态能量为E113.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20时，kT0.025eV，则 N2/N1exp（400）0 可见，在20时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。电子可以 通过吸收或释放能量从一个能级跃迁至另一个能级。例如当电子吸收了一个光子 2 时，它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色（或频率）。 当原子内所有电子处于可能的最低能 级时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能级时，我们称原子处于受激状态。前面说过，电子可 通过吸收或释放在能级之间跃迁。跃迁又可分为三种形式 1.受激吸收 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 注释：受激吸收低能级E1的粒子当吸收一定频率r21的外来光能时，粒子的能量就会增到E2E1hr21(h)表示普朗克常数），粒子就从低能级E1跃迁到高能级E2上，这一过程叫做受激吸收，而外来光的能量被吸收，使光减弱。粒子进行跃迁不是自发的，要靠外来光子刺激而进行。粒子是否能吸收发来的光子，还得取决于两个能级（E1和E2）性质和趋近于粒子的光子数的多少有关。而与其它方向。位相等方面就无任何限制2.自发幅射 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 注释：自发辐射是指高能态的原子自发地辐射出光子并迁移至低能态。这种辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差，方向散乱。自发辐射处于高能级的粒子很不稳定，不可能长时间的停留在高能级上。以氢原子为例，在高能级停留的时间只有10-8秒（粒子在高能级停留的时间为粒子的寿命，寿命长的为亚稳态能级）。因此，在高能级E2中的粒子会迅速跃迁到低能级E1上，同3.受激幅射 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最後就变成两个相同的光子。注释1：受激辐射是处于高能级的原子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子过程。通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。注释2：处于高能级E2的电子在外来光场的感应下（感应光子的能量hn = E2 -E1）发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，该过程称为光的受激辐射过程。受激辐射它是与受激发吸收的相反过程。处于高能级的粒子，在某种频率r21光子诱发下，从原来所在的能级上E2，放出与外来光子完全相同光子，此时既产生了一个光子（受激发前后共有2个光子），使原来的能量减少Ehr21。把高能级上的粒子跃迁到低能级E1上的这一过程称做受激辐射。受激辐射的特点本身不是自发跃迁，而是受外来光子的刺激产生。因而粒子释放出的光子与原来光子的频率、方向传播、相位及偏振等完全一样，无法区别出哪一个是原来的光子，哪一个是受激发后而产生的光子，受激辐射中由于光辐射的能量与光子数成正比例，因而在受激辐射以后，光辐射能量增大一倍。以波动观点看，设外来光子为一种波，受激辐射产生的光子为另一种波，由于两个波的相位、振动方向，传播的方向及频率相同。两个波合在一起能量就增大一倍，即通过受激辐射光波被放大。外来光子量越多，受激发的粒子数越多，产生的光子越大，能量越高。受激辐射及吸收同时存在于光辐射与粒子体系，是在同一整体之中相互对立的两个方面，它们发生的可能性是同等的，这两个方面即受激辐射与吸收哪一个占主导地位，取决于粒子在两个能级上的分布。激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的，也就是在基发态的粒子数尽可能多些。以实现受激辐射。受激辐射的特点如下： 感应光子的能量等于向下跃迁的能级之差； 受激辐射产生的光子与感应光子是全同光子，不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此它们是相干的；受激辐射过程实质上是对外来入射光的放大过程。 1.基能级上的粒子 2.粒子被激发到E2能级上1.处于高能级E2上的粒子 2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一个光子。4.粒子数反转 在通常情况下，处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数，这种情况得不到激光。为了得到激光，就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目，因为E2上的原子多，发生受激辐射，使光增强（也叫做光放大）。为了达到这个目的，必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2，处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数。这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。在工作物质处于谐振腔内时，只要有能量为h=E2-E1的光子能引起腔内谐振，就可以得到激光。实现粒子数反转的工作物质是制造激光器所不能缺少的。1. 粒子数反转通常处于低能级的电子数较处于高能级的电子数多，粒子数正常分布。根据玻耳兹曼统计分布，若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比数量级估计：但要产生激光必须使原子激发，且 N2 N1，称粒子数反转或称布居反转。使粒子数反转是实现受激辐射，得到光放大的必要条件。原子处在激发态时间很短10-8s，但有些物质还有一些亚稳态，可以停留10-3s,在亚稳态上粒子数不断积累，实现粒子数反转，达到光放大的目的。技术上要实现粒子数反转，一定要有能实现粒子数反转的物质，称为工作物质。这种物质存在比一般激发态稳定得多的能级，平均寿命可达10-31s的数量级，称亚稳态。可以从外界输入能量，把低能级上的原子激发到高能级上，这个过程称“激励”或“抽运”或“光泵”。常见方法有光激励、气体放电激励、化学激励、核能激励等。三激光最核心部分 激光振荡器构成激光振荡器的三个主要（必需）部分：1、工作物质 这是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。目前，激光工作物质已有数千种，激光波长已由X光远至红外光。例如氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子的两个能级实现粒子数反转。 2、激励能源（光泵） 它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。 通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转，造成了产生激光的条件。通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。 3、光学共振腔 这是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行；二是不断给光子加速；三是限制激光输出的方向。最简单的光学共振腔是由放置在氦氖激光器两端的两个相互平行的反射镜组成。当一些氖原子在实现了粒子数反转的两能级间发生跃迁，辐射出平行于激光器方向的光子时，这些光子将在两反射镜之间来回反射，于是就不断地引起受激辐射，很快地就产生出相当强的激光。这两个互相平行的反射镜，一个反射率接近100%，即完全反射。另一个反射率约为98%，激光就是从后一个反射镜射出的。激光器主要由三部分组成：工作物质、激励能源、谐振腔（共振腔）。四激光原理的简单介绍 激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。如图所示红宝石激光的原理。它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原子。在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能阶。而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射射，使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。在一个激光系统中，激光的工作介质在没有受到激励以前，绝大多数粒子处于稳态，粒子的原子核带正电，核外电子带负电，电子处在核外的一些特定的轨道上围绕原子核不停地旋转着。当激光的工作介质受到激励（如强光照射）从外界获得适当能量时，电子就会从能量较小的轨道跃迁到能量较大的轨道上去，呈亚稳态级状态，实现粒子的反转，亚稳态能级上的部分原子自发跃迁到低能级而返回稳态，同时放出能量，即光子，此类光子称为自发辐射光子。自发辐射光子在共振控内呈布朗运动，随着运动，可能会碰撞到其它电子，使其跃迁到稳定的状态，从而放出更多的光子，产生受激辐射。自发辐射光子的传播方向不一，凡不沿工作介质轴线方向传播的以及由它诱发产生的受激辐射光子，都很快地从工作介质的侧面逸出，而沿轴线方向传播的自发辐射光子以及由它诱发产生的受激辐射光子传播至共振腔内的部分反射镜时，少量光子透射出去，大部分被反射回工作介质。被部分反射镜反射重新回到工作介质的光子，继续诱发新的受激辐射，光同时被放大，继续传播遇到全反射镜时，光子全部被反射。被反射镜反射出来的光子，再次进人工作介质，诱发新的受激辐射，光进一步被放大，光子在共振腔中来回振荡，受激辐射不断增强，光不断被放大，当光子增加到一定数量时，便能从部分反射镜一端连续地、稳定地输出激光。激光同样是一种光，也同样具有波动性和粒子性，但不象太阳光那样是天然存在，而是人工激活的特定活性物质，在特定的条件下产生的受激发光。激光器是强相干光源，它所发出的激光是一种受激辐射相干光，是在一定条件下电场和激光工作物质相互作用的结果。五激光产生的五个条件激光在英文中是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是受激辐射的光放大。可见，受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。 如果让这些受激光子一个一个地发射出来，是不能形成强大的能量的。一般的，电子被激发到高能级后，在高能级上停留的时间是短暂的。而有些物质的电子处于 第二能级E2的时间较长，仅次于基态能级E1。这个能级就叫做亚稳能级。要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级。这是产生激光的第二个条件。 外来的光子能激发出光子，产生受激辐射，但也可能被低能级所吸收。在激光工作物质中，受激辐射和受激吸收这两个过程都同时存在。在常温下，吸收多于发 射。选择适当的物质，使其在亚能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子数反转，使受激发射多于吸收。这是产生激光的第三个条件。 形成粒子数反转 高能态粒子数大于低能态粒子数的非热平衡状态。在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律： 式中k为玻耳兹曼常数，N2、g2和N1、g1分别为高能态E2和低能态E1的粒子数和统计权重。由于E2子数。于是原子系统的受激吸收过程总占优势，原子系统单位时间内从辐射场所吸收的光子数总是多于受激发射产生的光子数。如果采用适当的激粒子数反转是相对于热平衡分布而言的。当体系处于粒子数反转状态时，受激辐射光子数多于被吸收的光子数，因此对光子数具有放大作用。一个激光器要实现激光运转，粒子数反转是必要条件之一。 从0可知，体系处于粒子数反转状态时，体系的温度T0，因而说体系处于负温度状态。这是形式上的一种说法。实际上，在热平衡状态下，T不能取负值。但是体系处于粒子数反转状态时，它并不处于热平衡状态。激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个振荡腔。这是产生激光的第四个条件。通信所用的半导体激光器就是利用半导体前后两个端面与空气之间的折射率不同，形成反射镜而组成振荡腔的。 这些晶体和谐振腔都会使光子产生损耗。只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，才能有放大作用，这是产生激光的第五个条件。激光的分类连续的和脉冲的光线激光可以两种状态发射：连续或者间歇。连续波激光发射连续的具有相对固定能量的光线。光线发射是通过踏板或手调操纵器控制。有些系统中，使用快门以中断光线，产生间歇曝光。然而，使用快门中断的连续激光不论是在设计上，还是发射装置上都不同于脉冲激光，比脉冲激光的持续时间长，通常能量峰值也较低。 脉冲激光发射高能脉冲光，与连续波长激光不同，光的放射是不连续的，能量迅速产生，又逐渐减小。这就使每个脉冲提供了最高的能量。例如调Q激光脉冲短于10亿分之一秒，在这样短的时间内，光在谐振腔中继续放大，直至能量最高峰。然后在极短时间内能量释放，这是通过电磁开关来完成。在时间轴的能量上可分为可以分为连续激光和脉冲激光，脉冲激光又分为单脉冲激光和连续脉冲激光。单脉冲激光是微秒纳秒（少数也有皮秒）脉冲，特点是输出时机可调，也就是说，可以由操作者控制什么时候出什么时候不出，类似单发步枪。连续脉冲激光只能由操作者控制开关，其中具体的光脉冲什么时候出很难控制（不是不能控制，但是很难）比较象机关枪。连续激光和脉冲激光各自特点：（1）连续激光 激光泵浦源持续提供能量，长时间地产生激 光输出，从而得到连续激光。连续激光的输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（如激光通信、激光手术等）的场合。 （2）脉冲激光 脉冲工作方式是指每间隔一定时间才工作一次的方式。 脉冲激光器具有较大输出功率，适合于激光打标、切割、测距等。 常见的脉冲激光器：固体激光器中的钇铝石榴石（YAG）激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器等。 还有氮分子激光器、准分子激光器等。六激光的特点激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。 1 单色性好：普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。 由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长，使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外，激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用，已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。 2 相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。 3 方向性好：激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1 000公里以上。激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀。另外，由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差，使光斑尺寸进一步缩小，可达微米级以下，甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”。 4 亮度高：激光的亮度可比普通光源高出10121019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。激光透过受激辐射产生，有以下三大特性 1.激光是单色的，在整个产生的机制中，只会产生一种波长的光。这与普通的光不同，例如阳光和灯光都是由多种波长的光合成的，接近白光。 2.激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它们叠加起来便产生很大的强度。而在日常生活中所见的光，它们的相和偏振是随机的，相对于激光，这些光就弱得多了。 3.激光的光束很狭窄，并且十分集中，所以有很强的威力。相反，灯光分散向各个方向传播，所以强度很低激光器的结构激光器一般包括三个部分。 1、激光工作介质 激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。 2、激励源 为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不