家里用的CD和DVD播放器,办公室的激光打印机,以及商场的条码扫描器都有激光。另外,人们用激光治疗近视视力,通过光纤网络发送邮件,浏览视频……似乎,我们每个人每天都使用激光。
人类第一台红宝石激光器是1960年美国研制成功的,我国也在1961年研制成功国产首台红宝石激光器。之后,激光技术的运用领域越来越广泛,越来越重要。因此,激光技术被认为是与量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术并列的20世纪人类最重大的科技发明。
现今,激光技术的应用已广泛深入到工业、农业、军事、医学乃至社会的各个方面,对人类社会的进步正在起着越来越重要的作用,正奇迹般地改变着我们的世界。
但是,有多少人真正了解激光?它是怎样产生的,又是如何工作的?
这一切,涉及到一系列的伟大科学思想和科技创造。
激光的属性
激光,是一种自然界原本不存在的,因受激而发出的,具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。
激光的产生机理可以溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说,即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程。众所周知,任何一种光源的发光都与其物质内部粒子的运动状态有关,当处于低能级上的粒子(原子、分子或离子)吸收了适当频率外来能量(光)被激发而跃迁到相应的高能级上(受激吸收)后,总是力图跃迁到较低的能级去,同时将多余的能量以光子形式释放出来。
如果光是在没有外来光子作用下自发地释放出来的(自发辐射),此时被释放的光即为普通的光(如电灯、霓虹灯等),其特点是光的频率大小、方向和步调都很不一致。
但如果是在外来光子直接作用下,由高能级向低能级跃迁时将多余的能量以光子形式释放出来(受激辐射),被释放的光子则与外来的入射光子在频率、位相、传播方向等方面完全一致,这就意味着外来光得到了加强,我们把它称之为“光放大”。
图:激光产生机理:(左)受激吸收,(中)自发辐射,(右)受激发射
而激光的产生需要满足三个条件:粒子数反转、谐振腔反馈和满足阈值条件。通过受激吸收,使处于高能级的粒子数比处于低能级的越多(粒子数反转),还需要在有源区两端制作出能够反射光子的平行反射面,形成谐振腔,并使增益大于损耗,即相同时间新产生的光子数大于散射吸收掉的光子数。只有满足了这三个条件,才有可能产生激光。
激光的特性