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透徹解析:激光到底是怎么來的

來源:激光網(wǎng)  發(fā)布時間:2019-05-18

     1960年,世界上的第一束人造激光刺破了加州修斯實驗室的寧靜,西奧多·梅曼發(fā)明的紅寶石激光器,開啟了人類創(chuàng)造激光、利用激光改造世界的大門。此后五十余年來,激光科學(xué)發(fā)展迅猛,激光技術(shù)的普及應(yīng)用也從方方面面走進了人們的生活。但多數(shù)人只是知道激光有這樣那樣的用途,卻不知道激光到底是怎么來的。因此,本文將用相對通俗的語言,為大家講解激光形成的原理。

     要弄懂激光形成的原理,首先了解一下什么是能級。簡單來說,能級就是每一個原子(實際上核外電子)攜帶一定能量的狀態(tài),不同的能級表示原子攜帶的能量不同。能級越高,意味著核外電子能量越高,越容易脫離原子核的束縛。為方便理解,以原子結(jié)構(gòu)最簡單的氫原子為例進行講解。

     n表示量子數(shù),對應(yīng)原子的能級E。n=1時,表示的是氫原子穩(wěn)定狀態(tài)下的能級,稱為基態(tài)(E1能級)。n=2、3、4等,稱為激發(fā)態(tài)(E2能級、E3能級、E4能級等)。根據(jù)丹麥物理學(xué)家玻爾的理論,原子處于穩(wěn)定的基態(tài)時,如果受到外界的激發(fā),吸收相應(yīng)的外界能量,會躍遷到較高的能級上形成激發(fā)態(tài)。而原子在激發(fā)態(tài)時是不穩(wěn)定的,當原子處于激發(fā)態(tài)時會自發(fā)地向較低能級躍遷,經(jīng)過一次或幾次躍遷到達基態(tài),在向低能級躍遷的過程中會釋放相應(yīng)能量。這個相應(yīng)能量以一定頻率的光子的形式存在,可由能級圖右側(cè)數(shù)值計算得出,光子能量E=hν=Em-En。h是物理學(xué)家測出的固定值(普朗克常量),ν表示光子的頻率(由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時釋放光子的頻率,就是原子對外輻射光的頻率,形成激光時也就是該激光的頻率,這決定了激光的波長λ=c/ν,c為光速)。

     理解能級結(jié)構(gòu)之后,來看看激光是怎么形成的。同樣為方便理解,還是以結(jié)構(gòu)最簡單的紅寶石激光器為例進行講解。紅寶石激光器屬于固體激光器,工作物質(zhì)是紅寶石棒,晶體基質(zhì)為Al2O3,摻有占總重量0.05%的Cr2O3。紅寶石中的激光作用是通過Cr3+(鉻離子)的受激發(fā)射過程而實現(xiàn)的,因而Cr3+通常稱為激活離子,它是紅寶石中產(chǎn)生激光的“主體”。而紅寶石的主要成分氧化鋁只是容納鉻離子的基質(zhì),對激光作用只起間接作用。其能級結(jié)構(gòu)如圖所示:

     當泵浦光照射紅寶石時,處于基態(tài)的Cr3+離子吸收特定波長的光躍遷到E3能級,Cr3+離子在這個能級上壽命很短(極不穩(wěn)定,約存在10-9s),因而迅速通過無輻射躍遷(無輻射躍遷是指原子通過原子碰撞的形式將能量與外界進行交換,即晶體內(nèi)部熱運動,從而發(fā)生能級改變,期間既不發(fā)射也不吸收光子)躍遷到E2能級。E2能級壽命較長(約有3ms),稱為亞穩(wěn)態(tài)能級,在這個能級上可以聚集較多的Cr3+離子。當外界泵浦足夠強的時候,會在E2能級和E1能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),即E2能級上Cr3+離子數(shù)量比E1能級多。在實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后,每一個能量為hν的外來光子都將激發(fā)E2能級上的一個原子使其躍遷到基態(tài),同時釋放一個能量為hν的光子,光子總能量也就1變2,2變4,4變8……從而實現(xiàn)了受激輻射放大(增益)過程。由于光學(xué)諧振腔對光增益存在損耗,只有受激輻射放大的增益大于激光器內(nèi)的各種損耗時,才會輸出激光。

     下面對紅寶石激光器結(jié)構(gòu)進行講解,有條件的話,可以自己動手制作一個簡易的紅寶石激光器哦。

紅寶石激光器包括泵浦源(簡單來說,就是給激光器提供最初始能量的外界物質(zhì),對紅寶石激光器而言,泵浦源是氙閃光燈,從某種角度來看,反射罩也可算作泵浦源)、增益介質(zhì)(用以提供光放大,是產(chǎn)生激光的主體,即紅寶石棒)、諧振腔(形成激光的區(qū)域,可用兩端各一個反射鏡來構(gòu)成紅寶石激光器的諧振腔)。


     工作時,首先給泵浦源通電,氙閃光燈發(fā)出高頻強光(散射光),直接照射和周圍反射罩的聚光把強光都聚集在增益介質(zhì)——紅寶石上。紅寶石晶體在吸收徑向(四周指向軸心)強聚集光的輻射之后,內(nèi)部電子向能量低的方向輻射。由于紅寶石徑向受強光照射,只有軸向是低能區(qū)域,于是受光的紅寶石向軸向發(fā)出輻射。由于晶體的核外電子速率是相等的,所以軸向發(fā)出輻射的頻率基本相同。

     諧振腔由兩片裝置在紅寶石晶體軸向兩端、相隔一定距離的反光鏡組成,后片為全反射鏡(反射率為100%),前片為半反射鏡(當光束達到一定能量的時候,會從該反射鏡中透射輸出腔外,反射率可取70%-90%)。紅寶石晶體沿軸向所發(fā)出的輻射碰到反射鏡,在兩片反光鏡之間來回反射,反復(fù)穿過紅寶石晶體。每次穿過紅寶石晶體,都會激發(fā)等量的光子,即每次穿過晶體,光束能量會翻倍。最終光束能量越來越大,當能量超過一定值的時候(閾值),光束即從前端鏡片中間發(fā)射輸出,形成激光。

     紅寶石激光器輸出的激光波長為694.3nm,光電轉(zhuǎn)換率低,只有0.1%。但其熒光壽命長,有利于儲能,可輸出較高的脈沖峰值功率,一根筆芯粗細,手指長的紅寶石棒產(chǎn)生的激光就可以輕松的產(chǎn)生打穿鐵皮。在效率更高的YAG激光器出現(xiàn)之前,紅寶石激光器被廣泛地用在激光切割、鉆孔上。此外,694nm的光極易被黑色素吸收,因此紅寶石激光器還被用于色素性病變(皮膚長斑)的治療。

     至此,相信各位對激光形成的原理都有了較為清晰的認識。其他種類激光器的結(jié)構(gòu)和激光的形成過程與雖紅寶石激光器略有不同,但原理上基本一致,就不再展開了。

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