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激光 激光及其应用 激光 laser 是受激辐射光放大 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 的缩写 爱因斯坦在1917年研究黑体辐射时 曾预言受激辐射的存在 直到1960年 梅曼制成世界上第一台激光器 红宝石激光器 证明了爱因斯坦预言的正确性 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation即Laser 按照其意义来说应当为 受激辐射的光放大 形象的音译为 镭射 在1964年 根据钱学森的建议 将其改称为 激光 这也就是我们目前最常见的称呼了 激光的发展过程 远在1893年 在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出 两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化 他虽然不能解释这一点 但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象 1917年 爱因斯坦 可通过受激辐射方式发光 激光是在1960年正式问世的 但是 激光的历史却已有100多年 1958年美国贝尔实验室的科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象 当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时 晶体的分子会发出鲜艳的 始终会聚在一起的强光 由此他们提出了 激光原理 受激辐射可以得到一种单色性 亮度又很高的新型光源 汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文 奠定了激光发展的基础 1960年 1960年 美国人梅曼 T H Maiman 发明了世界上第一台红宝石激光器 梅曼利用红宝石晶体做发光材料 用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源 获得了人类有史以来的第一束激光 在此以后 在激光器品种方面 几乎每年都有新的 关键性的重大突破 1961年 在美国贝尔实验室 伊朗物理学家贾万研制出了世界上的第一台氦氖激光器 另外 61年8月 中国科学院长春光学精密机械研究所由王之江教授负责研制成功了我国第一台红宝石激光器 比世界上第一台只晚了18个月 中国激光之父 1962年 研制成功第一台半导体激光器 1963年 第一台液体激光器1964年 锁模激光器1965年 激光参量振荡器研制成功1966年 制成染料激光器1967年 超短脉冲激光器 到目前为止 激光器的品种已达数千种之多 以光作为武器在人类历史上并非绝无仅有 相传在公元前215年的第二次布匿战争中 西西里岛名城叙拉古遭受罗马舰队围城 城中的伟大的科学家阿基米德利用自己设计的抛石器将可燃油料的陶罐抛射到罗马战舰之上 然后利用巨大的凸透镜聚焦太阳光点燃敌船 被称为 死亡之光 以至于美国的一位教授将其煞有介事地称其为 激光武器之父 阿基米德的这种想法可能来自与他在当时的学术之都埃及首都亚历山大里亚留学时观看七大奇迹之一的法洛斯灯塔的经历有关 不管这种传说是真是假 这座地中海的粮仓还是在3年后陷落在罗马共和国的鹰旗之下 尽管罗马将领尊重阿基米德 下令军队要礼待他 不得伤害 但是他还是被一名粗暴的罗马士兵杀死 于是这个事件也成了政治摧残科学的典型 无独有偶 公元6世纪 东罗马首都君士坦丁堡遭遇围城 也是依靠巨镜烧毁敌舰脱险 战果几乎可以与摧毁了阿拉伯海军的拜占庭的秘传武器 希腊火 相提并论 激光作为武器 有很多独特的优点 首先 它可以用光速飞行 每秒30万公里 任何武器都没有这样高的速度 它一旦瞄准 几乎不要什么时间就立刻击中目标 用不着考虑提前量 另外 它可以在极小的面积上 在极短的时间里集中超过核武器100万倍的能量 还能很灵活地改变方向 没有任何发射性污染 因而具有常规威慑力量 激光武器分为三类 一是致盲型 二是近距离战术型 可用来击落导弹和飞机 1978年美国进行的用激光打陶式反坦克导弹的试验 就是用的这类武器 三是远距离战略型 这类的研制困难最大 但一旦成功 作用也最大 它可以反卫星 反洲际弹道导弹 成为最先进的防御武器 激光武器的效费比是比较高的 在防空武器方面 当前主体是导弹 激光武器与之相比消耗费用要便宜得多 例如 一枚 爱国者 导弹要60 70万美元 一枚短程 毒刺 式导弹要2万美元 而激光发射一次仅需数千美元 今后随着技术的发展 激光发射一次的费用可降至数百美元 机载激光武器 ABL ABL的目标是研制装在经过改造的波音747飞机上安装激光武器 用于从高空攻击敌方的战区弹道导弹 几种激光器 CO2激光器 夏普公司发布了笔记本电脑蓝光或HDDVD光驱使用的蓝紫色半导体激光器GH04020A4G 其直径仅3 3mm 是世界上最小的蓝光光头 2008Baidu 激光器的分类 按产生激光的工作物质的物态特性分类固体激光器红宝石激光器掺钕钇铝石榴石激光器 对治疗青光眼特别有效 气体激光器氦氖激光器 当今世界用的最多 氩离子激光器 可用其进行眼科手术 是焊接视网膜的理想光源 半导体激光器砷化镓激光器 体积小 输出波长在红外区 所以保密性好 适合用于军舰 飞机和坦克上 液体激光器以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世 广泛应用于各种科学研究领域 现在已发现的能产生激光的染料 大约在500种左右 这些染料可以溶于酒精 苯 丙酮 水或其他溶液 它们还可以包含在有机塑料中以固态出现 或升华为蒸汽 以气态形式出现 所以染料激光器也称为 液体激光器 染料激光器的突出特点是波长连续可调 燃料激光器种类繁多 价格低廉 效率高 输出功率可与气体和固体激光器相媲美 应用于分光光谱 光化学 医疗和农业 化学激光器如 氟原子和氢原子 死光武器 原子激光器1997美国麻省理工学院钠原子X射线激光器在科研和军事上有重要价值 应用于激光反导弹武器中具有优势 生物学家用X射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能 用X射线激光拍摄分子结构的照片 所得到的生物分子像的对比度很高 自由电子激光器这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射 它的工作机制与众不同 它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束 经周期磁场 形成不同能态的能级 产生受激辐射 世界第一台自由电子激光器于1977年问世 中国第一台自由电子激光器于1985年问世 自由电子激光器的能量是由外场加速后的自由电子的动能转换而成的 其输出功率可达很高水平 在加工 反导 雷达 通信 光化学等方面都有很大的用途 所以它一问世就受到各国科技界的重视 第一节激光的基本原理 一 粒子的能级与辐射跃迁 1 粒子的能级 组成物质的原子 分子等粒子总是处于一定的能态或能级 能量最低的能态称为基态 其它能量较高的状态称为激发态 基态是最稳定的状态 通常多数粒子处在基态上 当一粒子获得一定的能量跃迁到某一激发态时 它在激发态上停留的时间一般很短 其平均寿命大约在10 9 10 7秒 有些粒子的某些激发态寿命较长 平均寿命大约可达10 3 10 2秒 这样的激发态称为亚稳态 2 辐射跃迁的三种基本过程 光与物质的相互作用有三种基本过程 这就是光的吸收 自发辐射和受激辐射 1 吸收 假设E1 E2为某个粒子的两个能级 如图所示 一个处在较低能级E1上的粒子 吸收一个能量hn E2 E1的光子 跃迁到较高的能级E2上 这一过程称为光的吸收 受激吸收 hv E2 E1 2 自发辐射 处在高能级上的粒子可以自发地辐射光子而跃迁到较低的能级 这种过程称为自发辐射 如图所示 自发辐射光子的能量hn E2 E1 3 受激辐射 处在高能级E2上的粒子 在一个外来的能量为hn E2 E1的光子的诱发下 跃迁到能量较低的能级E1 同时释放出一个与诱发光子完全相同的光子的过程称为受激辐射 受激辐射 hv E2 E1 受激辐射发出的光子是同方向 同频率 同相位 同偏振的 即受激辐射的结果是入射一个光子 而出射的却是完全相同的两个光子 即光被放大了 这两个光子又会引起其它原子产生受激辐射 于是在极短的时间内激发出无数个同样的光子 这便是激光 二 粒子数按能级分布 1 波尔兹曼分布 根据波尔兹曼分布 在热平衡条件下 处在高能级上的粒子的数目总是少于低能级上的粒子的数目 例如 根据波尔兹曼分布计算得知 氖原子3s激发态与基态在常温下 T 300K 两能级的粒子数之比为N2 N1 e 653 1这说明 在热平衡条件下 绝大多数的粒子都处在基态 能级能量越高 粒子数越少 2 粒子数反转 1 受激辐射与吸收过程的矛盾设想有一个诱发光子 欲诱发受激辐射 由于在热平衡时 处在高能级上的粒子数目总是远远少于低能级上的粒子数目 这样 诱发光子遇到低能级上粒子的概率远远高于高能级上的粒子 因此 吸收过程远远胜过受激辐射过程 2 粒子数反转分布为了使受激辐射过程胜过吸收过程 必须破坏粒子数的热平衡分布 使得处在高能级上的粒子数目大于低能级上的粒子数目 这种分布已不是热平衡分布了 称为粒子数反转 粒子数反转的实现条件 要有激励源 但粒子在激发态的寿命很短 一般为10 11 10 8S 所以被抽运到激发态的粒子很快就会跃迁到基态 要实现粒子数反转分布 必须要有这样一种物质 它具有寿命很长的激发态 这种寿命很长的激发态 叫亚稳态 亚稳态的时间可达到10 3 10 2S 甚至1秒 要有具有亚稳态的工作物质 亚稳态 3 能实现粒子数反转的物质 工作物质 有适当的能级结构 亚稳态 外界提供能量 泵浦 抽运 粒子数反转 三 光学谐振腔 实现了粒子数反转 解决了受激辐射与吸收过程的矛盾 但还不能产生激光 要产生激光还需要一个光学谐振腔 4 光学谐振腔 在工作物质两端安装一对严格平行的反射镜可以 光放大 四 激光器 1 激光器的结构 2 产生激光的必要条件 实现粒子数反转 工作物质 使原子被激发 激励装置 实现光放大 光学谐振腔 第二节 激光的特性 特性 1 方向性好 2 亮度高 强度大 3 单色性好 4 相干性好 5 偏振性好 普通光源的发光机理是自发辐射 就好象拥挤的人群从刚散场的电影院走出 男女不一 高矮各异 衣着万千 人们有的向东 有的向西 杂乱无章 而激光的发射机理是受激辐射 就好象是解放军的仪仗队 身体整齐 衣着统一 步调一致 向着一个方向前进 1 方向性好 激光是受激辐射发光 且有光学谐振腔 使得激光基本上沿谐振腔的轴线方向传播 发散角很小 可 10 7弧度 接近于平行光 激光 1公里 而最好的普通光源 1000多公里 光斑直径 发散面积相差 100万倍 激光微光束手术刀 能方便的对细胞 染色体 遗传基因等进行切割 穿孔 移植 焊接等手术 1960年世界上第一台红宝石激光器问世后 1961年即用于治疗视网膜脱落 1963年激光光刀用于肿瘤切割 70年代医用激光治疗机在临床各科得到广泛应用 激光以其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题 视网膜剥离眼底血管病变 虹膜切开 青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗 激光手术刀具有术中出血少 可减少细菌感染等优点 激光与中医针灸术结合而形成的 光针 对镇痛 哮喘 遗尿 高血压等有一定疗效 应用 激光微光束技术 应用 激光针优点 扎针 时没有疼痛 可避免滞针 断针 交叉感染应用 激光测距测月 误差 1m应用 激光雷达能自动精确跟踪飞机 导弹 卫星等高速飞行体应用 激光制导武器命中率大大提高 2 亮度高 应用1 激光武器在军事领域 激光能量提高 可以制成摧毁敌机和导弹的光武器 应用2 激光致盲武器 因为激光的能量集中在很小的角度内 所以 作为光源 其亮度很高 如 一台几毫瓦的氦氖激光器的亮度比太阳光的亮度高几百倍 一个较亮一点的激光的亮度比太阳表面的亮度还要高100亿倍 应用1 激光光波拍频技术可用来测量极其缓慢的速度 每秒移动几个微米 拍摄鲜花的绽放过程 应用2 激光测长可用光波波长作为单位进行测量 这种光尺测量准确 光的单色性越好 测量的最大长度越大 3 单色性好 单色性最好的氪灯 5 10 4nm 红色氦氖激光 1 10 8nm 波长 谱线宽度 630 760 nm 白光 4 相干性好 物理学中常用 相干长度 来表示光的相干性 光源的相干长度越长 光的相干性就越好 钠光 约为0 058cm 单色性最好的普通光源氪灯 38 5cm 激光 几十 几百km 普通光源发出的自然光 其相干长度与光波波长具有相同的数量级 应用1 引发核聚变利用激光的相干性 将其能量会聚在空间极小的区域内 可用于引发核聚变 例 若把核燃料做成比芝麻还小的固体微型小球 然后用激光作为点火器去照射它 就可使微型小球加热到上亿摄氏度的高温 产生的能量密度高达1015J cm3 这样高的能量密度相当于几十吨炸药在1m3体积内爆炸所产生的能量 达到了原子爆炸时的超高能量密度的数量级 应用2 激光全息技术 而全息照相术不仅在底片上记录物光的强弱情况 同时还要把物光的相位记录下来 即把物光的所有信息全部记录下来 并通过一定的手续 再现 出物体的立体图像 由于全息照片记录了景物光波的全部信息 所以再现出来的景象和原来的一模一样 全息照片再现出来的景象是如此逼真 使人产生身临其境之感 普通照相术 是把从物体表面反射的光或物体本身发出的光 统称物光 的强弱变化记录在底片上 再在照相底片上显示出物体的平面图象 第三节 激光的医学应用 一 激光的生物作用1 热作用激光使组织温度升