激光的发光机制及应用

1、激光的发光机制及应用一 激光的发光机制激光发射器中发射的激光主要是由受激辐射而产生。当频率为 f 的光子作用 在具有相同能级的原子系统时， 将发生两个不同的作用： 一是当光子已处于高能 级的激发原子作用时， 会产生受激辐射， 光子增殖。 二是当光子与低能级原子作 用时，系统使光子增殖还是减少， 完全取决于该原子系统中处于高能态与低能态 原子的比率。为了使受激辐射成为主导， 必须使高能级粒子数超过低能级粒子数， 即所谓要求实现“粒子数反转” 。激光材料（激光工作物质）实质上就是具有适 当的能级结构， 可实现粒子数反转 （通过对其激励， 使粒子从低能级跃迁至高能 级，通常成为“光泵” ）的工作物质

2、。由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量 子数n（n=1,2, ）决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨 道角动量L和自旋角动量s,它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨 道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln =nh,但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。 严格的能量量子化以及角动量量子化都 应该有量子力学理论来推导。量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在 I （角动量量子 数）量子数相差 ±1 的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满 足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可

3、能存在这样一些能级，一旦电 子被激发到这种能级上时， 由于不满足跃迁的选择规则， 可使它在这种能级上的 寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在 外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级， 并放出光子。 这种过程是被 “激”出来的，故称受激辐射。受激辐射的概念世爱因斯坦于 1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第 一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性， 这是激光的基础。受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2,当一个外来光子所带的能量hu正好为某一对能级之差E2-E1则这原子可以在此外来光子的诱发下从 高能级 E2 向低能级 E1 跃

4、迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可 发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向 以及光波的相位都完全一样。 于是， 入射一个光子， 就会出射两个完全相同的光 子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光， 就是激光。粒子数的反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射， 而且它也能引起受激吸收， 所以只有当 处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸 收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光 原子处在高能级的数目比低能级上的多， 这种情况， 称为粒子数反转。 但在热平 衡条件下，原子几乎都处于

5、最低能级（基态） 。因此，如何从技术上实现粒子数 反转则是产生激光的必要条件。二激光的应用激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属 )进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体 等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到 光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研 究范围一般可分为：1. 激光加工系统。 包括激光器、 导光系统、 加工机床、 控制系统及检测系统。2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种 加工工艺。激光在医学中的应用，应用于牙科的激光系统激光在龋齿的诊断方面的

6、应用1 脱矿、浅龋2隐匿龋激光在治疗方面的应用1切割2充填物的聚合，窝洞处理 激光在工业上的应用激光在工业上，也应用极为广泛，因为激光在激光束聚焦在材料表面的 时候能够使材料熔化，使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。七十年代后 ,为了改善和提高火焰切割的切口质量, 又推广了氧乙烷精密火焰切割， 等离子切割。 在工业生产中有一定的适用范围。 激光冷却激光冷却 (laser cooling) 利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得 超低温原子的高新技术。这一重要技术早期的主要目的是为了精确测量各 种原子参数，用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标( 原子钟 )，后来却

7、成为实现原子玻色 -爱因斯坦凝聚的关键实验方法。激光光谱激光光谱( laser spectra )以激光为光源的光谱技术。与普通光源相比， 激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，是用来研 究光与物质的相互作用，从而辨认物质及其所在体系的结构、组成、状态 及其变化的理想光源。激光传感器激光传感器( laser transducer )利用激光技术进行测量的传感器。它由 激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的 优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干 扰能力强等。激光雷达激光雷达( laser radar )是指用激光器作为辐射源

8、的雷达。激光雷达是激 光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架 及信息处理等部分组成。激光武器激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向 能武器。根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光 武器两大类。武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成， 目前通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、 CO2 激光器等。激光 武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点， 但也存在易受天气和环境影响等弱点。激光玻璃激光玻璃是一种以玻璃为基质的固体激光材料。它广泛应用于各类型固 体激光光器中，并成为高功率和高能量激光器的主要激光材料。 激光测速激光测速是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，