光彩夺目的新光源激光

光彩夺目的新光源——激光一、激光产生原理LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation受激辐射的光放大什么是激光?Laser

激光(意译)1964年10月钱学森起名镭射(音译)1、普通光源的发光——

受激吸收和自发辐射受激吸收: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。自发辐射:被激发到高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9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hυ=E2－

E1

。受激吸收自发辐射自发辐射的特点是：各个原子（或分子）的辐射都是自发的、随机地、独立地进行的，他们所发出的光波在发射方向、偏振状态和初位相上都是各不相同的。自发辐射宏观：水往低处流,能量越低越稳定。微观：原子处于低能级的几率大于高能级。

温度增高，原子处于高能级的几率增加在通常热平衡条件下，能量较低能级上的原子数目较多，能量较高能级上的原子数目很少，其中基态原子数最多。2、激光产生原理——

受激辐射受激辐射根据量子力学，描述电子的能级状态有:主量子数

n，n＝1，2，3，…轨道量子数l

，且

l＝0，1，2，…，（n－1）跃迁规则：Δl=±1亚稳态能级亚稳态能级：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初始状态受激辐射亚稳态能级激光发光机制图解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。(1)受激辐射

入射一个光子，得到两个全同光子(全同的意思是光子的发射方向、偏振方向以及光波的相位都相同），继而得到更多的全同光子,称为光放大。无数个全同光子组成激光。

激光——

受激辐射的光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(2)粒子数反转

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，称为粒子数反转。亚稳态能级粒子数反转受激辐射介质中实现粒子数反转，是制造获得激光的必要条件。亚稳态能级的存在，是实现粒子数反转的前提。受激辐射无辐射跃迁激励受激辐射激励三能级系统四能级系统以红宝石激光器为例说明激光的形成红宝石激光器形成激光的理论解释二、激光简史和我国的激光技术1917年,爱因斯坦提出受激辐射概念

1958年，美国两位微波领域的科学家汤斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw)发表著名论文《红外与光学激射器》，指出了受激辐射为主的发光的可能性，以及必要条件是实现“粒子数反转”。

1958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（T.H.Maiman）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了波长为694.3nm的激光。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。1961年8月，中国第一台红宝石激光器于在中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统——

神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。三、激光器结构1、激光工作介质气体、液体、固体或半导体亚稳态能级的存在，介质中可以实现粒子数反转。不同工作介质产生不同波长的激光。激光光谱:紫外～远红外2、激励源

——

目的是使工作介质中出现粒子数反转电激励；光激励；热激励；化学激励激励也叫泵浦或抽运3、光学谐振腔

——进行光放大，选择输出光的方向的容器四、激光器的种类按工作介质的不同来分类，可以分为固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器脉冲激光器

(脉冲激光的峰值功率可以非常大)

1、固体激光器特点：器件小、坚固、使用方便、输出功率大工作介质：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钕玻璃激光器外，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm的近红外激光。功率：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、气体激光器特点：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。工作介质：氦－氖气体(632.8nm红光)、二氧化碳气体(9600nm红外线)、氩气(488nm、514.5nm蓝绿光)。激励方式：高压气体放电(电子碰撞激发原子)

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，氦－氖激光器是最常用的一种。3、半导体激光器特点：体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固。工作介质：半导体材料激励方式：光泵浦、电激励

目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。在70年代末期后，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(CD，VCD，DVD)。

光盘读写原理4、液体激光器特点：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。工作介质：有机染料

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）。激励方式：染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。五、激光的特性及应用1、激光的特性(3)单色性好：激光是一种单色光，频率范围极窄。

单色光：波长范围很窄的一段辐射，一般小于几个埃。(4)相干性好：组成激光的光子是全同的，即它们频率相同、振动方向相同、相位一致。(1)方向性强：几乎是一束平行线。激光在谐振腔中两反射镜面来回反射，若光束偏离轴线，多次反射就会逸出腔外。其偏离轴线的发散角θ仅为10-3弧度。(2)亮度高：激光是集中在某一方向上的，能量集中亮度高。2、激光的应用(1)激光武器国外已有一种红宝石袖珍式激光枪，外形和大小与美国的派克钢笔相当。但它能在距人几米之外烧毁衣服、烧穿皮肉，且无声响，在不知不觉中致人死命。并可在一定的距离内，使火药爆炸，使夜视仪、红外或激光测距仪等光电设备失效。1975年11月，美国的两颗监视导弹发射井的侦察卫星在飞抵西伯利亚上空时，被前苏联的“反卫星”陆基激光武器击中，并变成“瞎子”。

1982年英阿马岛战争中，英国在航空母舰和各类护卫舰上就安装有激光致盲武器，曾使阿根廷的多架飞机失控、坠毁或误入英军的射击火网。

据英国《星期日泰晤士报》报道，美国一名发明家最近研制出新概念“致僵”武器，这种非致命武器依靠“致僵射线”，即利用紫外激光器发出光束来，在空气中电离出一条通道使电流导向目标，使被击中者周身肌肉神经抽搐、痉挛，直至僵硬而丧失活动能力，进而丢掉武器束手就擒。激光致僵武器第一次应用是美国田纳西州警方缉捕绑架人质的罪犯。

激光武器的优点

1．无需进行弹道计算

2．无后座力

3．操作简便，机动灵活，使用范围广

4．无放射性污染，效费比高激光在农学上的应用育种的两种方法：自发突变、诱发突变自发突变：大面积种植，寻找优良品种，逐年筛选。诱发突变：失重突变、核辐射突变、激光突变等多种方法。激光在医学上的应用

激光手术刀

1、手术时间快；

2、出血少；

3、可进行各种形态的切口；

4、能量集中，对周围正常组织不会造成损伤；

5、“手术刀”不与组织直接接触，不会引起细菌感染。

6、低功率激光照射穴位，起到针灸作用。激光在医学上的应用激光眼科:所用的激光是脉冲激光，时间很短，病人眼镜还来不及转动时，“刀”已切下去了，不会伤及其他部位。激光纤维内窥镜

激光能准确地确定肿瘤细胞和正常细胞激光化疗，治疗癌症等激光加工技术

原理：能量集中（光能转化成热能，金属也能熔化）；方向性好（可做精细加工）

用途：打微孔，打异型孔；切割不同形状的钢板，切割速度快；雕刻高硬度或脆性材料。激光加工技术

激光焊接技术激光快速成形技术激光打孔技术