激光的基础知识

1、激光的基础知识相信激光这名词对大家来说一点也不陌生。在日常生活中，我 们常常接触到激光，例如在课堂上我们所用的激光指示器，与及在 计 算机或音响组合中用来读取光盘资料的光驱等等。在工业上，激 光常用于切割或微细加工。在军事上，激光被用来拦截导弹。科 学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离，涉及的误差只 有几厘米。激光的用途那么广泛，究竟它有哪些特点，又是如何产 生的呢？以下我们将会阐释激光的基本特点和基本原理。激光的特性高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。（1）激光的高亮度：固体激光器的亮度更可高达10112。不 仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产

2、生数千 度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。（2）激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递 较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是 激光加工的重要条件。（3）激光的高单色性：由于激光的单色性极高，从而保证了 光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。（4）激光的高相干性：相干性主要描述光波各个部分的相位 关系。正是激光具有如上所述的奇异特性因此在生活、工业加工、军 事、科研等领域中得到了广泛地应用。激光产生原理激光的发展有很长的历史，它 的原理早在1917年已被著名的物 理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958年激光才被首次成功制造。激光英文名是

3、，即的缩写。激光的英 文全名已完全表达了制造激光的主要过程。但在阐释这个过程之 前，我们必先了解物质的结构，与及光的辐射和吸收的原理。物质由原子组成。图一是一个碳原子的示意图。原子的中心是 原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子 的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是，电子在 原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们， 这些 电子会处于一些固定的能级，不同的能级对应于不同的电 子能量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这些能级想象成 一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外， 不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道

4、(也是最 近原子核的轨道)最多只可容纳2个电子，较高的轨道则可容纳8 个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的1，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。目发暧收自发堰肘壹激辐射(a)(6)(c)电子可以透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级跃迁 至一个较高的能级（图二a）。同样地，一个位于高能级的电子也 会透 过发射一个光子而跃迁至较低的能级（图二b）。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。当原子内所有电子处于可能的最低能

5、阶时，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阶时，我们称原子处于受激 态。前面说过，电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可 分为三种形式：（1）自发吸收-电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶（图二 a）。（2）自发辐射-电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较 低能阶（图二b）。（3）受激辐射-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，最后就变成两 个相同的光子（图二c）。激光基本上就是由第三种跃

6、迁机制所产生的。产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状 态。以红宝石激光为例（图三），图三粒子数反转的状原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短， 大约10-7秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留 在亚稳态的时间很长，大约是10-3秒或更长的时间。电子长时间留 在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象 称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激 辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态 的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。激光器的结构激光器一般包括三个部分。1、激光工作

7、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，对实现粒子数反转世 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 外道远红外，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。为了不断得到激光输出， 必须不断地“泵浦”以维持处于上能级

8、的粒子数比下能级多。3、谐振腔 有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样 产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用 光学 谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、 少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作 介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中 来回振 荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从 部分反射镜子一端输出。下面以红宝石激光器为例来说明激光的形成。工作物质是一根红宝石棒。红宝石是掺入少许3价铬离子的三氧化二铝晶体。实际 是 掺入

9、质量比约为0.05%的氧化铬。由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝 光，所以宝石呈粉红色。1960年梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径8、长约8的两端面是一对平行平面镜，图四激光器结构图一端镀 上全反射膜，一端有10%的透射率，可让激光透出。红宝石激光器中，用高压氙灯作“泵浦”，利用氙灯所发出的强 光激发铬离子到达激发态E3,被抽运到E3上的电子很快（10- 8s）通 过无辐射跃迁到E2。E2是亚稳态能级，E2到E1的自发辐 射几率很小，寿命长达10-3s, 即允许粒子停留较长时间。于是，粒子就在E2上积聚起来，实现E2和E1 两能级上的粒子数反转。从E2到E1受激发射的波长是694.3的 红

10、色激光。由脉冲氙灯得到的是脉冲激光，每一个光脉冲的持续时间不到 1，每个光脉冲能量在10J以上；也就是说，每个脉冲激光的功率可 超过10的数量级。注意到上述铬离子从激发到发出激光的过程中涉 及到三条能级，故称为三能级系统。由于在三能级系统中，下能级E1 是 基态，通常情况下积聚大量原子，所以要达到粒子数反转，要有相 当强的激励才行。从上面的叙述中我们注意到，激光器要工作必须具备三个基本 条件，即激光物质、光谐振器和泵浦源，其基本结构如图四所示。通过泵浦源将能量输入激光物质，使其实现粒子数反转，由自 发辐射产生的微弱的光在激光物质中得以放大，由于激光物质两端放 置了反射镜，有一部分符合条件的光就

11、能够反馈回来再参加激励，这 时被激励的光就产生振荡，经过多次激励，从右端反射镜中投射出 来的光就是单色性、方向性、相干性都很好的高亮度的激光。不同类 型的激光器在发光物质、反射镜以及泵浦源等方面所用材料有所区 别，下文提到的各种激光器也正是基于这些不同进行分类的。激光器的种类对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类， 在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。1、固体激光器一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率 大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中 均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还 有钇铝石榴石（

12、）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060的 近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功 率可达109W。2、气体激光器气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均 匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的有点。这也是 目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60%左右。其 中，氨一氖激光器是最常用的一种。3、半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前 较成熟的是砷化镓激光器，发射840的激光。另有掺铝的砷化镓、 硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器 体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆

13、、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发 展大大推动了半导体激光器的发展。4、液体激光器常用的是染料激光器，采用有机染料为工作介质。大 多数情况是把有 机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也 有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光 范围）。染料激 光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氯离子 激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且 覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用激光简史和我国的激光技术自爱因斯坦1917年提出受激辐射概念后，足足经过了 40年， 直到1958年，美国两位微波领域的科学家汤斯（）和肖洛（）才打 破了沉寂的

14、局面，发表了著名论文红外与光学激射器，指出了受 激辐射为主的发光的可能性，以及必要条件事实现“粒子数反转”。 他们的论文史在光学领域工作的科学家马上兴奋起来，纷纷提出各种 实现粒子数反转的实验方案，从此开辟了崭新的激光研究领域。同年苏联科学家巴索夫和普罗霍罗夫发表了实现三能级粒子 数反转和半导体激光器建议论文，1959年9月汤斯又提出了制造 红宝石激光器的建议1960年5月15日加州休斯实验室的梅 曼（）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了波长为694.3的 激光。梅曼是利用红宝石进体做发光材料，用发光密度很高的脉冲氙 灯做激发 光源（如图所示），实际他的研究早在1957年就开始了， 多年的努力终于活动了历史上第一束激光。1964年，汤斯、巴索夫 和普罗霍夫由于对激光研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖。中国第一台红宝石激光器于1961年8月在中国科学院长春光学 精密机械研究所研