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激光器的原理及特點

一、基礎原理  
    
量子理論認為,所有物質都是由各種微觀”粒子”組成,如分子,原子,質子,中子,電子等。在微觀世界里,各種粒子都有其固有的能級結構。當一個粒子從高能級掉到低能級時,根據能量守恒定律,它要把兩個能級相差部分的能量釋放出來,通常這個能量以光和熱兩種形式釋放出來。

二、自發輻射、受激輻射
1、自發輻射 
普通常見光源的發光(如電燈、火焰、太陽等地發光)是由于物質在受到外來能量(如光能、電能、熱能等)作用時,原子中的電子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級,即原子被激發。激發的過程是一個“受激吸收”過程。但是處在高能級(E2)的電子壽命很短(一般為10-8~10-9秒),在沒有外界作用下會自發地向低能級(E1)躍遷,躍遷時將產生光(電磁波)輻射。輻射光子能量=E2-E1。過程各自獨立、互補關聯,所有輻射的光在發射方向上是無規律的射向四面八方,并且頻率不同、偏振狀態和相位不同。
2、受激輻射 
在原子中也存在這樣一些特定高能級,一旦電子被激發到這個高能級之上,卻由于不滿足躍遷的條件,發生躍遷的幾率很低,電子能夠在高能級上的時間很長,就所謂的亞穩定狀態。但在能在外界光場的照射下發生往下躍遷,并且向下躍遷時釋放出一個與射入光場相同的光子,在同一個方向、有同一個波長。這就是受激輻射,激光正是利用這一原理激發出來.
三、粒子數反轉 
   
通過受激輻射出來的光子,不僅可以引起其他粒子受激輻射,也可以引起受激吸收。只有在處于高能級的原子數量大于處于低能級原子數時,所產生的受激輻射才能大于受激吸收。但是在自然條件下,原子都是都處于穩定的基態,只能通過技術手段將大量的原子都調整到高能級的狀態,才能有多余的輻射向外產生。這個技術叫粒子數反轉。

四、光放大過程
通過粒子數反轉后,其中一個粒子首先在外界光場的照射刺激下,對外發出了一個光子,這個光子又刺激其他粒子再次對外發射光子,并且方向相同,波長相同。但是這樣放大的光還不夠強。科學家設計了一個光學偕振腔(兩片反射玻璃,一片100%反射、一片接近100%反射),通過反復反射,將光強度進一步擴大。
五、激光器構成 

 

1、工作介質。可以是氣體、液體、固體、或者半導體。在這些介質中存在亞穩定狀態,可以實現粒子數反轉,以獲得制造激光的必要條件。 
2、激勵源。用于去激勵原子體系,使處于上能級的粒子數量增加。有電激勵、光激勵、熱激勵。俗稱泵浦源。 
3、諧振腔。用于放大光輻射,并調節激光波長。
六、激光的特點
 1、方向性。

激光的發光方向可以限制在小于幾個毫弧度立體角度,照射方向上的照度比普通光提高千萬倍。激光準直、導向和測距就是利用方向性好的特點。

 2、亮度高。一臺大功率激光器輸出的亮度只有氫彈爆炸瞬間的閃光才能與之相比。由于亮度高度集中,容易在某一微小電出產生高壓和幾萬攝氏度甚至幾百萬攝氏度高溫。激光打孔、激光焊接、激光切割、激光外科手術都利用這一特點。

3、單色性好。光是一種電磁波。光的顏色取決于它的波長,普通光源發出的光通常包含各種波長,激光的波長只集中在十分狹窄的光譜范圍。為精密度儀器測量和激勵某些化學反應等科學實驗提供極為有利的手段。

 4、相干性好。用于全息投影技術

 

2017-08-13更新

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