激光产生原理

激光产生原理 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发名，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。 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l(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。 受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的，爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收。光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的‘受激辐射跃迁’过程是激光器的物理基础。。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hυ正好为某一对能级之差E2-E1，即:，则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低h,,E,E21 能级E1跃迁，如图(1)所示。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,它们相互叠加后使光的强度大大增加，使入射光得到光放大。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。 图(1) 激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和 手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。 激光主要有四大特性:激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。 1、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的距离的同时，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 2、 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。 3、激光的高亮度:固体激光器的亮度更可高达1011W,cm2Sr。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。 以激光器为基础的激光工业在全球发展执着迅猛，现在已广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科研等方面。据统计，从高端的光纤到常见的条形码扫描仪，每年和激光相关产品和服务的市场价值高达上万亿美元。