激光是什么?
發(fā)布日期:2016年9月22日 瀏覽次數(shù):
相信激光這名詞對大家來說一點也不陌生。在日常生活中,我們常常接觸到激光,例如在課堂上我們所用的激光指示器,與及在計算機或音響組合中用來讀取光盤資料的光驅(qū)等等。在工業(yè)上,激光常用于切割或微細加工。在軍事上,激光被用來攔截導彈?茖W家也利用激光非常準確地測量了地球和月球的距離,涉及的誤差只有幾厘米。激光的用途那么廣泛,究竟它是如何產(chǎn)生的呢?以下我們將會闡釋激光的基本原理。
激光的發(fā)展有很長的歷史,它的原理早在 1917 年已被著名的物理學家愛因斯坦發(fā)現(xiàn),但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。
激光英文名是 Laser,即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的縮寫。激光的英文全名已完全表達了制造激光的主要過程。但在闡釋這個過程之前,我們必先了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu),與及光的輻射和吸收的原理。
電子可以透過吸收或釋放能量從一個能階躍遷至另一個能階。例如當電子吸收了一個光子 [2] 時,它便可能從一個較低的能階躍遷至一個較高的能階 (圖二 a)。同樣地,一個位于高能階的電子也會透過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能階 (圖二 b)。在這些過程中,電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長,因此,吸收或釋放的光具有固定的顏色。
1. 自發(fā)吸收 - 電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階 (圖二 a)。
2. 自發(fā)輻射 - 電子自發(fā)地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階 (圖二 b)。
3. 受激輻射 - 光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階,并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相,此波長對應于兩個能階的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子,最后就變成兩個相同的光子 (圖二 c)。
激光基本上就是由第三種躍遷機制所產(chǎn)生的。圖三顯示紅寶石激光的原理。它由一枝閃光燈,激光介質(zhì)和兩面鏡所組成。激光介質(zhì)是紅寶石晶體,當中有微量的鉻原子。在開始時,閃光燈發(fā)出的光射入激光介質(zhì),使激光介質(zhì)中的鉻原子受到激發(fā),最外層的電子躍遷到受激態(tài)。此時,有些電子會透過釋放光子,回到較低的能階。而釋放出的光子會被設于激光介質(zhì)兩端的鏡子來回反射,誘發(fā)更多的電子進行受激輻射,使激光的強度增加。設在兩端的其中一面鏡子會把全部光子反射,另一面鏡子則會把大部分光子反射,并讓其余小部分光子穿過﹔而穿過鏡子的光子就構(gòu)成我們所見的激光。
1. 激光是單色的,在整個產(chǎn)生的機制中,只會產(chǎn)生一種波長的光。這與普通的光不同,例如陽光和燈光都是由多種波長的光合成的,接近白光。
2. 激光是相干的,所有光子都有相同的相,相同的偏振,它們疊加起來便產(chǎn)生很大的強度。而在日常生活中所見的光,它們的相和偏振是隨機的,相對于激光,這些光就弱得多了。
3. 激光的光束很狹窄,并且十分集中,所以有很強的威力。相反,燈光分散向各個方向轉(zhuǎn)播,所以強度很低。
[1] 根據(jù)量子力學,電子不是在一些明確的軌道上繞原子核運動的,它們的位置只可利用或然率通過薜定諤方程預測。
[2] 量子力學說明光也有粒子的性質(zhì),特別是在光與原子作用的時候。光的粒子稱為光子。
激光的發(fā)展有很長的歷史,它的原理早在 1917 年已被著名的物理學家愛因斯坦發(fā)現(xiàn),但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。
激光英文名是 Laser,即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的縮寫。激光的英文全名已完全表達了制造激光的主要過程。但在闡釋這個過程之前,我們必先了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu),與及光的輻射和吸收的原理。
圖一 碳原子示意圖
電子可以透過吸收或釋放能量從一個能階躍遷至另一個能階。例如當電子吸收了一個光子 [2] 時,它便可能從一個較低的能階躍遷至一個較高的能階 (圖二 a)。同樣地,一個位于高能階的電子也會透過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能階 (圖二 b)。在這些過程中,電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長,因此,吸收或釋放的光具有固定的顏色。
圖二 原子內(nèi)電子的躍遷過程
1. 自發(fā)吸收 - 電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階 (圖二 a)。
2. 自發(fā)輻射 - 電子自發(fā)地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階 (圖二 b)。
3. 受激輻射 - 光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階,并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相,此波長對應于兩個能階的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子,最后就變成兩個相同的光子 (圖二 c)。
激光基本上就是由第三種躍遷機制所產(chǎn)生的。圖三顯示紅寶石激光的原理。它由一枝閃光燈,激光介質(zhì)和兩面鏡所組成。激光介質(zhì)是紅寶石晶體,當中有微量的鉻原子。在開始時,閃光燈發(fā)出的光射入激光介質(zhì),使激光介質(zhì)中的鉻原子受到激發(fā),最外層的電子躍遷到受激態(tài)。此時,有些電子會透過釋放光子,回到較低的能階。而釋放出的光子會被設于激光介質(zhì)兩端的鏡子來回反射,誘發(fā)更多的電子進行受激輻射,使激光的強度增加。設在兩端的其中一面鏡子會把全部光子反射,另一面鏡子則會把大部分光子反射,并讓其余小部分光子穿過﹔而穿過鏡子的光子就構(gòu)成我們所見的激光。
圖三 紅寶石激光的示意圖
圖四 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)
1. 激光是單色的,在整個產(chǎn)生的機制中,只會產(chǎn)生一種波長的光。這與普通的光不同,例如陽光和燈光都是由多種波長的光合成的,接近白光。
2. 激光是相干的,所有光子都有相同的相,相同的偏振,它們疊加起來便產(chǎn)生很大的強度。而在日常生活中所見的光,它們的相和偏振是隨機的,相對于激光,這些光就弱得多了。
3. 激光的光束很狹窄,并且十分集中,所以有很強的威力。相反,燈光分散向各個方向轉(zhuǎn)播,所以強度很低。
圖五 普通燈光與激光的比較
[1] 根據(jù)量子力學,電子不是在一些明確的軌道上繞原子核運動的,它們的位置只可利用或然率通過薜定諤方程預測。
[2] 量子力學說明光也有粒子的性質(zhì),特別是在光與原子作用的時候。光的粒子稱為光子。