神奇的激光

第一节　神奇的激光

你要知道科学方法的实质，不要去听一个科学家对你说些什么，而要仔细看他在做些什么。

——爱因斯坦（美国）

激光是20世纪一次划时代的发明，也是近代物理学发展的一个里程碑，它使古老的光学焕发出勃勃生机。

激光究竟是一种什么样的光呢？它到底是如何产生的呢？让我们一起来揭开激光的神秘面纱。

（一）激光的奇异特性

激光也是光，与普通光一样在本质上都是一种电磁波，但激光又是一种特殊的光。与普通光相比，激光具有亮度高（能量密度高）、方向性好（发散角小）、单色性强（光谱纯）和相干性好等特点。

图12-1　激光

（1）亮度极高

所谓亮度极高是指光源的单位面积向某一方向的单位立体角内所发射的光功率很高。激光是现代最亮的光，其亮度只有氢弹爆炸瞬时的闪光才能与它相比拟。

（2）方向性极好

激光的在传播过程中发散角很小，在很长的距离内激光束的直径几乎不变，是高度平行的光束，这就意味着激光束可以传播更远的距离。

（3）单色性极强

光波波长越集中，其单色性越好，而激光发出的全部光辐射都集中在很小的范围内，其单色性极好。

（4）相干性优异

单色性越好的光，它的相干性就越好。同一激光器发射的激光小波由于频率、位相、振动方向相同，因此具有极好的相干性。

（二）激光简史

1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年美国科学家肖洛（A.L.Schawlew，1921～）和汤斯（C.H.Townes，1915～）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好、亮度又很高的新型光源。

图12-2　汤斯

图12-3　梅曼

1958年，贝尔实验室的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，美国人梅曼（T.H.Maimen，1927～）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作激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。1961年9月，我国科学家王之江、邓锡铭等在中国科学院长春光学精密机械研究所也研制成功了红宝石激光器。1965年，第一台可产生大功率激光的器件——二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台X射线激光器研制成功。1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。

（三）激光器的工作原理、结构和种类

（1）激光器的工作原理——受激吸收和自发辐射

光与物质间的共振相互作用是激光器发光的物理基础，激光器利用的是受激光辐射理论。通常情况下，当一个诱发光子入射时，受激辐射和受激吸收两种跃迁过程是同时存在的，前者使光子数增加，后者使光子数减少。当一束光通过发光物质后，究竟是光强增大还是减弱，要看这两种跃迁过程哪个占优势。在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态），故在外界光的照射下，粒子发生受激吸收的可能性要远远大于受激辐射的可能性。我们所要解决的问题是如何把处于低能级的粒子抽运到高能级上，使高能级上原子数目大于低能级上的数目，这种状态称为“粒子数反转”。只要使发光物质处在粒子数反转状态，受激辐射就会大于受激吸收。当发光物质中有一个频率合适的光子存在，便可像连锁反应一样，迅速产生大量相同光子态的光子，形成激光。由此可见，如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。

（2）激光器的结构

激光器是由工作介质、激励源和光学谐振腔三部分组成的（如图12-4）。工作介质是发射激光的发光材料，它是激光器的心脏，是用来使粒子数反转和产生受激辐射作用的物质体系。对工作物质有一定的要求：①光学性质均匀、透明性良好；②有能级寿命比较长的高能级；③有比较高的量子效率。

为了使工作介质中出现粒子数反转必须有一定的方法去激励原子体系，对发光物质输入能量，使处于高能级的粒子数增加。在激光器中，这是通过激励源来实现的。激励系统通过向工作物质提供能量，把分子、原子从低能态激发到高能态，实现工作物质的粒子数反转，从而使各种激励能量转化为激光的光能成为可能。激光器常用的激励能量有电能、光能、化学能、核能、热能等。各种激励方式也被形象化地称为“泵浦源”。

图12-4　激光器组成示意图

光学谐振腔（共振器）是由放在工作物质两端的反射镜构成的光学系统，其中一块反射镜对激光的反射率接近100%，另一块有适量的透过率。光学谐振腔主要通过正反馈和选模两个重要作用来保证激光的品质。正反馈是激光高亮度的重要保证。实现粒子反转后，产生受激辐射的强度还是很弱的，无法实际应用，而光波在腔内来回反射，相当于大大增加了工作物质的长度。光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应而雪崩似的获得放大，通过选模产生强烈的激光。

（3）激光器的种类

若以工作物质对激光器进行分类，可以分为固体、液体、气体、半导体激光器。另外，根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大，还可以按发光的频率和发光功率大小分类。

①固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。

②液体激光器的最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换，适合于对激光波长有严格要求的场合。通常有有机液体激光器和无机液体激光器。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。染料激光器种类繁多，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。

③气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。

④半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。

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【思考题】

1.激光的奇异特性有哪些？

2.简述激光器的原理和结构。