LASER -Laser Amplification by Stimulated Emission of Radiation-受激輻射放大光-激光-改變世界的光-20世紀對世界文明最有影響的發(fā)明之一-現(xiàn)代人日常生活不可或缺的一部分
摘要
激光不僅在已有的領域中為各種應用技術帶來了巨大的改善和提高,又開辟了一些新領域、新應用和新學科。激光作為一種科學技術其發(fā)展規(guī)律是從基礎理論研究到新技術的實現(xiàn)再到產(chǎn)品的成功開發(fā)最后到產(chǎn)業(yè)應用。本文介紹了激光的產(chǎn)生背景及其產(chǎn)生的基本原理,希望能給廣大激光研究人員和愛好者提供參考意見。
一、發(fā)展背景
激光器的發(fā)展歷程可以追溯到1917年愛因斯坦在量子理論的基礎上提出受激輻射的概念。20世紀50年代,當時科學家們開始嘗試利用激光放大器來放大微弱的光信號。接下來的幾十年中,激光技術得到了快速發(fā)展,并被應用于各種領域。 1960年,第一臺激光器被發(fā)明出來,這標志著激光技術的誕生。 隨著時間的推移,激光器的功率逐漸增強,應用領域也越來越廣泛,包括醫(yī)學、軍事、通訊、制造業(yè)等。1990年代以來,激光器技術進一步發(fā)展,出現(xiàn)了各種新型激光器,例如納秒激光器、飛秒激光器、半導體激光器等。現(xiàn)在,激光技術已成為現(xiàn)代科技和工業(yè)的重要組成部分,不斷推動著人類社會的進步。
二、激光器的分類及應用
激光器是一種能夠產(chǎn)生相干光的裝置,它具有高度的單色性、方向性和亮度。激光器的分類和應用非常廣泛,涉及到科研、工業(yè)、醫(yī)療、通信等領域。通常按照工作物質(zhì)進行分類,以下是激光器的幾種主要分類及其應用:
- 固體激光器 :固體激光器使用固體晶體作為增益介質(zhì),例如Nd:YAG激光器和Nd:YVO4激光器。這類激光器在金屬切割、焊接、打標、激光雷達和激光指示器等領域具有廣泛的應用。
- 氣體激光器 :氣體激光器以氣體作為激發(fā)介質(zhì),如氬離子激光器、氫氧化碳激光器和氮氣激光器。應用領域包括激光雕刻、光譜分析、光源校準和大氣遙感等。
- 液體激光器 :液體激光器使用液體染料作為增益介質(zhì),例如染料激光器。染料激光器因其可調(diào)諧性和寬光譜輸出而在生物醫(yī)學成像、光譜學和光源研究領域具有重要應用。
- 半導體激光器 :半導體激光器,又稱激光二極管,是利用半導體材料產(chǎn)生激光的一種激光器。應用廣泛,如光纖通信、激光打印、光碟驅(qū)動器、激光指示器、激光干涉測量等。
- 化學激光器 :化學激光器是另一類特殊的氣體激光器,即是一類利用化學反應釋放的能量來實現(xiàn)工作粒子數(shù)布局反轉(zhuǎn)(簡稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn))的激光器。化學反應產(chǎn)生的原子或分子往往處于激發(fā)態(tài),在特殊情況下,可能會有足夠數(shù)量的原子或分子被激發(fā)到某個特定的能級,形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),以致出現(xiàn)受激發(fā)射而引起光放大作用。
三、激光器的組成及基本原理
激光器是一種光放大器,通過受激輻射產(chǎn)生相干光。激光器的基本原理是基于愛因斯坦的受激輻射理論。激光器的組成主要包括以下幾個部分:
- 激活介質(zhì):激活介質(zhì)是激光器的核心,可以是固體、液體、氣體或半導體材料。激活介質(zhì)中的原子或分子能級在受到外部能量的激發(fā)后,形成高能量狀態(tài),這些激發(fā)態(tài)的原子或分子可在受激輻射作用下向低能量狀態(tài)躍遷,同時放出光子。
- 激發(fā)源:激發(fā)源是向激活介質(zhì)提供能量的裝置,使其從低能量狀態(tài)躍遷到高能量狀態(tài)。激發(fā)源可以是光源(如閃光燈)、電源(如直流電源)或化學能源等。
- 光學諧振腔:光學諧振腔由兩個反射鏡組成,一個是全反射鏡,另一個是部分透射鏡。光學諧振腔的作用是使光在激活介質(zhì)中多次往返,增強光與激活介質(zhì)的相互作用,從而實現(xiàn)光的放大。其中的輸出耦合器位于光學諧振腔的部分透射鏡一側(cè),用于從諧振腔中提取激光輸出。部分透射鏡允許一部分光通過,從而形成有用的激光輸出。
激光器的工作原理可以概括為以下幾個步驟:
1. 激發(fā):激發(fā)源向激活介質(zhì)提供能量,使激活介質(zhì)中的原子或分子由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。
2. 受激輻射:高能態(tài)的原子或分子在受到入射光子的作用下,向低能態(tài)躍遷,同時放出與入射光子具有相同能量、相同相位和相同傳播方向的光子。
3. 反射與放大:光學諧振腔使光在激活介質(zhì)中多次往返,每次往返都會產(chǎn)生受激輻射,從而實現(xiàn)光的放大。
4. 輸出:當光的放大達到一定程度時,部分透射
四、激光的特性
激光器的光束具有高度的定向性和單色性。與其他光源不同,激光器的光束可以被聚焦到非常小的點上,因為光束非常集中且?guī)缀醪粩U散。此外,激光器的光束也具有相干性,這意味著光波的振動方向是高度一致的。這些特性使得激光器在科學研究、醫(yī)療和工業(yè)制造等領域中應用廣泛。
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