科普知识:激光到底是怎么来的

时间:2018-08-09 11:40来源:OFweek激光网作者:Jucy 点击:
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摘要:1960年,世界上的第一束人造激光刺破了加州修斯实验室的宁静,西奥多·梅曼发明的红宝石激光器,开启了人类创造激光、利用激光改造世界的大门。此后五十余年来,激光科学发展迅猛,激光技术的普及应用也从方方面面走进了人们的生活。本文将用相对通俗的语言,为大家讲解激光形成的原理。

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1960年,世界上的第一束人造激光刺破了加州修斯实验室的宁静,西奥多·梅曼发明的红宝石激光器,开启了人类创造激光、利用激光改造世界的大门。此后五十余年来,激光科学发展迅猛,激光技术的普及应用也从方方面面走进了人们的生活。但多数人只是知道激光有这样那样的用途,却不知道激光到底是怎么来的。因此,本文将用相对通俗的语言,为大家讲解激光形成的原理。

透彻解析:激光到底是怎么来的

要弄懂激光形成的原理,首先了解一下什么是能级。简单来说,能级就是每一个原子(实际上核外电子)携带一定能量的状态,不同的能级表示原子携带的能量不同。能级越高,意味着核外电子能量越高,越容易脱离原子核的束缚。为方便理解,以原子结构最简单的氢原子为例进行讲解。

透彻解析:激光到底是怎么来的

氢原子能级结构图

n表示量子数,对应原子的能级E。n=1时,表示的是氢原子稳定状态下的能级,称为基态(E1能级)。n=2、3、4等,称为激发态(E2能级、E3能级、E4能级等)。根据丹麦物理学家玻尔的理论,原子处于稳定的基态时,如果受到外界的激发,吸收相应的外界能量,会跃迁到较高的能级上形成激发态。而原子在激发态时是不稳定的,当原子处于激发态时会自发地向较低能级跃迁,经过一次或几次跃迁到达基态,在向低能级跃迁的过程中会释放相应能量。这个相应能量以一定频率的光子的形式存在,可由能级图右侧数值计算得出,光子能量E=hν=Em-En。h是物理学家测出的固定值(普朗克常量),ν表示光子的频率(由激发态向基态跃迁时释放光子的频率,就是原子对外辐射光的频率,形成激光时也就是该激光的频率,这决定了激光的波长λ=c/ν,c为光速)。

理解能级结构之后,来看看激光是怎么形成的。同样为方便理解,还是以结构最简单的红宝石激光器为例进行讲解。红宝石激光器属于固体激光器,工作物质是红宝石棒,晶体基质为Al2O3,掺有占总重量0.05%的Cr2O3。红宝石中的激光作用是通过Cr3+(铬离子)的受激发射过程而实现的,因而Cr3+通常称为激活离子,它是红宝石中产生激光的“主体”。而红宝石的主要成分氧化铝只是容纳铬离子的基质,对激光作用只起间接作用。其能级结构如图所示:

透彻解析:激光到底是怎么来的

当泵浦光照射红宝石时,处于基态的Cr3+离子吸收特定波长的光跃迁到E3能级,Cr3+离子在这个能级上寿命很短(极不稳定,约存在10-9s),因而迅速通过无辐射跃迁(无辐射跃迁是指原子通过原子碰撞的形式将能量与外界进行交换,即晶体内部热运动,从而发生能级改变,期间既不发射也不吸收光子)跃迁到E2能级。E2能级寿命较长(约有3ms),称为亚稳态能级,在这个能级上可以聚集较多的Cr3+离子。当外界泵浦足够强的时候,会在E2能级和E1能级间形成粒子数反转,即E2能级上Cr3+离子数量比E1能级多。在实现粒子数反转后,每一个能量为hν的外来光子都将激发E2能级上的一个原子使其跃迁到基态,同时释放一个能量为hν的光子,光子总能量也就1变2,2变4,4变8……从而实现了受激辐射放大(增益)过程。由于光学谐振腔对光增益存在损耗,只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗时,才会输出激光。

下面对红宝石激光器结构进行讲解,有条件的话,可以自己动手制作一个简易的红宝石激光器哦。

红宝石激光器包括泵浦源(简单来说,就是给激光器提供最初始能量的外界物质,对红宝石激光器而言,泵浦源是氙闪光灯,从某种角度来看,反射罩也可算作泵浦源)、增益介质(用以提供光放大,是产生激光的主体,即红宝石棒)、谐振腔(形成激光的区域,可用两端各一个反射镜来构成红宝石激光器的谐振腔)。

透彻解析:激光到底是怎么来的

工作时,首先给泵浦源通电,氙闪光灯发出高频强光(散射光),直接照射和周围反射罩的聚光把强光都聚集在增益介质——红宝石上。红宝石晶体在吸收径向(四周指向轴心)强聚集光的辐射之后,内部电子向能量低的方向辐射。由于红宝石径向受强光照射,只有轴向是低能区域,于是受光的红宝石向轴向发出辐射。由于晶体的核外电子速率是相等的,所以轴向发出辐射的频率基本相同。

谐振腔由两片装置在红宝石晶体轴向两端、相隔一定距离的反光镜组成,后片为全反射镜(反射率为100%),前片为半反射镜(当光束达到一定能量的时候,会从该反射镜中透射输出腔外,反射率可取70%-90%)。红宝石晶体沿轴向所发出的辐射碰到反射镜,在两片反光镜之间来回反射,反复穿过红宝石晶体。每次穿过红宝石晶体,都会激发等量的光子,即每次穿过晶体,光束能量会翻倍。最终光束能量越来越大,当能量超过一定值的时候(阈值),光束即从前端镜片中间发射输出,形成激光。

红宝石激光器输出的激光波长为694.3nm,光电转换率低,只有0.1%。但其荧光寿命长,有利于储能,可输出较高的脉冲峰值功率,一根笔芯粗细,手指长的红宝石棒产生的激光就可以轻松的产生打穿铁皮。在效率更高的YAG激光器出现之前,红宝石激光器被广泛地用在激光切割、钻孔上。此外,694nm的光极易被黑色素吸收,因此红宝石激光器还被用于色素性病变(皮肤长斑)的治疗。

至此,相信各位对激光形成的原理都有了较为清晰的认识。其他种类激光器的结构和激光的形成过程与虽红宝石激光器略有不同,但原理上基本一致,就不再展开了。

 

【光粒网综合报道】( 责任编辑:Jucy )
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