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江蘇邱成機(jī)電有限公司

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光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身運(yùn)動(dòng)狀況的表現(xiàn)。

微觀粒子都具有特定的一套能級(jí)（通常這些能級(jí)是分立的）。任一時(shí)刻粒子只能處在與某一能級(jí)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)（或者簡(jiǎn)單地表述為處在某一個(gè)能級(jí)上）。與光子相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，并相應(yīng)地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級(jí)的能量差△E，頻率為ν=△E/h（h為普朗克常量）。

1.受激吸收（簡(jiǎn)稱吸收）

處于較低能級(jí)的粒子在受到外界的激發(fā)（即與其他的粒子發(fā)生了有能量交換的相互作用，如與光子發(fā)生非彈性碰撞），吸收了能量時(shí)，躍遷到與此能量相對(duì)應(yīng)的較高能級(jí)。這種躍遷稱為受激吸收。

2.自發(fā)輻射

粒子受到激發(fā)而進(jìn)入的激發(fā)態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級(jí)，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級(jí)激發(fā)態(tài)（E2）向低能級(jí)基態(tài)（E1）躍遷，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 ν=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。眾多原子以自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)、傳播方向上的一致，是物理上所說的非相干光。

3.受激輻射、激光

1917年，愛因斯坦從理論上指出：除自發(fā)輻射外，處于高能級(jí)E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級(jí)。他指出當(dāng)頻率為 ν=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，也會(huì)引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1，同時(shí)輻射兩個(gè)與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過程稱為受激輻激光分離技術(shù)主要指激光切割技術(shù)和激光打孔技術(shù)。激光分離技術(shù)是將能量聚焦到微小的空間，可獲得105~1015W/cm2*的輻照功率密度，利用這一高密度的能量進(jìn)行非接觸、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，幾乎可以對(duì)任何材料實(shí)現(xiàn)激光切割和打孔。激光切割技術(shù)是一種擺脫傳統(tǒng)的機(jī)械切割、熱處理切割之類的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產(chǎn)效率等特點(diǎn)。激光打孔方法作為在固體材料上加工孔方法之一，已成為一項(xiàng)擁有特定應(yīng)用的加工技術(shù)，主要運(yùn)用在航空、航天與微電子行業(yè)中。

顏色極純

光的顏色由光的波長(zhǎng)（或頻率）決定。一定的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一定的顏色。太陽輻射出的可見光段的波長(zhǎng)分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間，對(duì)應(yīng)的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽光談不上單色性。發(fā)射單種顏色光的光源稱為單色光源，它發(fā)射的光波波長(zhǎng)單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發(fā)射某一種顏色的光。單色光源的光波波長(zhǎng)雖然單一，但仍有一定的分布范圍。如氖燈只發(fā)射紅光，單色性很好，被譽(yù)為單色性，波長(zhǎng)分布的范圍仍有0.00001納米，因此氖燈發(fā)出的紅光，若仔細(xì)辨認(rèn)仍包含數(shù)十種紅色。由此可見，光輻射的波長(zhǎng)分布區(qū)間越窄，單色性越好。 [1] 

激光器輸出的光，波長(zhǎng)分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長(zhǎng)分布范圍可以窄到2×10^-9納米級(jí)別，是氪燈發(fā)射的紅光波長(zhǎng)分布范圍的萬分之二。由此可見，激光器的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)*一種單色光源。

能量極大

光子的能量是用E=hv來計(jì)算的，其中h為普朗克常量，v為頻率。由此可知，頻率越高，能量越高。激光頻率范圍3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。

電磁波譜可大致分為：

（1）無線電波——波長(zhǎng)從幾千米到0.3米左右，一般的電視和無線電廣播的波段就是用這種波；

（2）微波——波長(zhǎng)從0.3米到10^-3米，這些波多用在雷達(dá)或其它通訊系統(tǒng)；

（3）紅外線——波長(zhǎng)從10^-3米到7.8×10^-7米；

（4）可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個(gè)波段。波長(zhǎng)從780—380nm。光是原子或分子內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)所發(fā)出的電磁波。由于它是我們能夠直接感受而察覺的電磁波極少的那一部分；

（5）紫外線——波長(zhǎng)從3 ×10^-7米到6×10^-10米

。這些波產(chǎn)生的原因和光波類似，常常在放電時(shí)發(fā)出。由于它的能量和一般化學(xué)反應(yīng)所牽涉的能量大小相當(dāng)，因此紫外光的化學(xué)效應(yīng)；

激光

激光

（6）倫琴射線(X射線)—— 這部分電磁波譜，波長(zhǎng)從2×10^-9米到6×10^-12米。倫琴射線（X射線）是電原子的內(nèi)層電子由一個(gè)能態(tài)跳至另一個(gè)能態(tài)時(shí)或電子在原子核電場(chǎng)內(nèi)減速時(shí)所發(fā)出的；

（7）伽馬射線——是波長(zhǎng)從10^-10～10^-14米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內(nèi)發(fā)出來的，放射性物質(zhì)或原子核反應(yīng)中常有這種輻射伴隨著發(fā)出。γ射線的穿透力很強(qiáng)，對(duì)生物的破壞力很大。由此看來，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因?yàn)樗淖饔梅秶苄?，一般只有一個(gè)點(diǎn)），短時(shí)間里聚集起大量的能量，用做也就可以

激光有很多特性：首先，激光是單色的，或者說是單頻的。有一些激光器可以同時(shí)產(chǎn)生不同頻率的激光，但是這些激光是互相隔離的，使用時(shí)也是分開的。其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一個(gè)“波列"。再次，激光是高度集中的，也就是說它要走很長(zhǎng)的一段距離才會(huì)出現(xiàn)分散或者收斂的現(xiàn)象。

可以設(shè)想，如果大量原子處在高能級(jí)E2上，當(dāng)有一個(gè)頻率 ν=（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵(lì)E2上的原子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)特征*相同的光子，這兩個(gè)光子再激勵(lì)E2能級(jí)上原子，又使其產(chǎn)生受激輻射，可得到四個(gè)特征相同的光子，這意味著原來的光信號(hào)被放大了。這種在受激輻射過程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光。

愛因斯坦1917提出受激輻射，激光器卻在1960年問世，相隔43年，為什么？主要原因是，普通光源中粒子產(chǎn)生受激輻射的概率極小。當(dāng)頻率一定的光射入工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射和受激吸收兩過程同時(shí)存在，受激輻射使光子數(shù)增加，受激吸收卻使光子數(shù)減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，粒子在各能級(jí)上的分布，遵循平衡態(tài)下粒子的統(tǒng)計(jì)分布律。按統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，處在較低能級(jí)E1的粒子數(shù)必大于處在較高能級(jí)E2的粒子數(shù)。這樣光穿過工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會(huì)減弱不會(huì)加強(qiáng)。要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，必須使處在高能級(jí)E2的粒子數(shù)大于處在低能級(jí)E1的粒子數(shù)。這種分布正好與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。

激光

激光

理論研究表明，任何工作物質(zhì)，在適當(dāng)?shù)募?lì)條件下，可在粒子體系的特定高低能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。若原子或分子等微觀粒子具有高能級(jí)E2和低能級(jí)E1，E2和E1能級(jí)上的布居數(shù)密度為N2和N1，在兩能級(jí)間存在著自發(fā)發(fā)射躍遷、受激發(fā)射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發(fā)射躍遷所產(chǎn)生的受激發(fā)射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的受激發(fā)射光是相干的。受激發(fā)射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場(chǎng)的單色能量密度。當(dāng)兩個(gè)能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重相等時(shí)，兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2<N1，所以自發(fā)吸收躍遷占優(yōu)勢(shì)，光通過物質(zhì)時(shí)通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵(lì)可以破壞熱平衡而使N2>N1，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。在這種情況下，受激發(fā)射躍遷占優(yōu)勢(shì)。光通過一段長(zhǎng)為l的處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）后，光強(qiáng)增大eGl倍。G為正比于（N2-N1）的系數(shù)，稱為增益系數(shù)，其大小還與激光工作物質(zhì)的性質(zhì)和光波頻率有關(guān)。一段激活物質(zhì)就是一個(gè)激光放大器。如果，把一段激活物質(zhì)放在兩個(gè)互相平行的反射鏡（其中至少有一個(gè)是部分透射的）構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中（圖1），處于高能級(jí)

的粒子會(huì)產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內(nèi)往返傳播，當(dāng)它在激光物質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)不斷增長(zhǎng)。如果諧振腔內(nèi)單程小信號(hào)增益G0l大于單程損耗δ（G0l是小信號(hào)增益系數(shù)），則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為不同的能級(jí)，當(dāng)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)釋放出相應(yīng)能量的光子（所謂自發(fā)輻射）。

歷史沿革 語音

激光的理論基礎(chǔ)起源于物理學(xué)家愛因斯坦，1917年愛因斯坦提出了一套全新的技術(shù)理論‘光與物質(zhì)相互作用’。這一理論是說在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級(jí)上，在高能級(jí)上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會(huì)從高能級(jí)跳到（躍遷）到低能級(jí)上，這時(shí)將會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大"，簡(jiǎn)稱激光。

1951年，美國(guó)物理學(xué)家查爾斯·哈德·湯斯設(shè)想如果用分子，而不用電子線路，就可以得到波長(zhǎng)足夠小的無線電波。分子具有各種不同的振動(dòng)形式，有些分子的振動(dòng)正好和微波波段范圍的輻射相同。問題是如何將這些振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛?。就氨分子來說，在適當(dāng)?shù)臈l件下，它每秒振動(dòng)24，000，000，000次（24GHz），因此有可能發(fā)射波長(zhǎng)為1.25厘米的微波。 他設(shè)想通過熱或電的方法，把能量泵入氨分子中，使它們處于“激發(fā)“狀態(tài)。然后，再設(shè)想使這些受激的分子處于具有和氨分子的固有頻率相同的微波束中---這個(gè)微波束的能量可以是很微弱的。一個(gè)單獨(dú)的氨分子就會(huì)受到這一微波束的作用，以同樣波長(zhǎng)的束波形式放出它的能量，這一能量又繼而作用于另一個(gè)氨分子，使它也放出能量。這個(gè)很微弱的入射微波束相當(dāng)于起立腳點(diǎn)對(duì)一場(chǎng)雪崩的促發(fā)作用，最后就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的微波束。最初用來激發(fā)分子的能量就全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N特殊的輻射。

1953年12月，湯斯和他的學(xué)生阿瑟·肖洛終于制成了按上述原理工作的的一個(gè)裝置，產(chǎn)生了所需要的微波束。這個(gè)過程被稱為“受激輻射的微波放大"。按其英文的首字母縮寫為M.A.S.E.R,并由之造出了單詞“maser"（脈澤）（這樣的單詞稱為首字母縮寫詞，在技術(shù)語中越來越普遍使用）。

1958年，美國(guó)科學(xué)家肖洛（Schawlow）和湯斯（Townes）發(fā)現(xiàn)了一種神奇的現(xiàn)象：當(dāng)他們將氖光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時(shí)，晶體的分子會(huì)發(fā)出鮮艷的、始終會(huì)聚在一起的強(qiáng)光。根據(jù)這一現(xiàn)象，他們提出了"激光原理"，即物質(zhì)在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發(fā)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生這種不發(fā)散的強(qiáng)光--激光。他們?yōu)榇税l(fā)表了重要論文，并獲得1964年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1960年5月15日，美國(guó)加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了波長(zhǎng)為0.6943微米的激光，這是人類有史以來獲得的束激光，梅曼因而也成為一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家。

1960年7月7日，西奧多·梅曼宣布一臺(tái)激光器誕生，梅曼的方案是，利用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管，來激發(fā)紅寶石。由于紅寶石其實(shí)在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當(dāng)紅寶石受到刺激時(shí)，就會(huì)發(fā)出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個(gè)孔，使紅光可以從

這個(gè)孔溢出，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使其達(dá)到比太陽表面還高的溫度。

前蘇聯(lián)科學(xué)家尼古拉·巴索夫于1960年發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由p層、n層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。其特點(diǎn)是：尺寸小、耦合效率高、響應(yīng)速度快、波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調(diào)制、相干性好。

激光的中文名稱 語音

1964年10月，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所主辦的《光受激發(fā)射情報(bào)》（其前身為《光量子放大專刊》）雜志編輯部致信錢學(xué)森，請(qǐng)他為L(zhǎng)ASER取一個(gè)中文名字，錢學(xué)森建議中文名為“激光"。同年12月，上海召開第三屆光量子放大器學(xué)術(shù)會(huì)議，由嚴(yán)濟(jì)慈主持，討論后正式采納錢學(xué)森的建議，將“通過輻射受激發(fā)射的光放大"的英文縮寫LASER正式翻譯為“激光"。隨后，《光受激發(fā)射情報(bào)》雜志也改名為《激光情報(bào)》。

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