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激光

[拼音]:jiguang

[外文]:laser-light amplification by stimulated emission of radiation

受激发射产生的光。利用受激发射实现光波放大或振荡的器件,称为激光器。自从氨分子微波激射器和红宝石微波量子放大器研制成功后,形成了一门新的学科──量子电子学。量子电子学在微波段获得成功,促使美国C.H.汤斯和A.L.肖洛、苏联Н.Г.巴索夫和А.М.普罗霍洛夫等提出在光波段也可构成类似器件的设想。1960年,美国T.H.梅曼制成第一台红宝石激光器。它标志着激光技术的诞生。从此,激光技术的发展十分迅速,已用几百种激光工作物质实现了光放大,或制成了光振荡器,获得了红外(包括远、中、近红外辐射)、可见光、紫外(近、真空)和可调谐激光(见气体激光器、固体激光器、自由电子激光器、可调谐激光器)。

激光产生

若原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1E2E1能级上的布居数密度为N2N1,在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光,与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此,大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时,两种过程的几率相等。在热平衡情况下N2N1,所以受激吸收跃迁占优势,光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使N2N1,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下,受激发射跃迁占优势。光通过一段长为l的处于粒子数反转状态的激光工作物质(激活物质)后,光强增大eGl倍。G为正比于(N2N1)的系数,称为增益系数,其大小还与激光工作物质的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。

如果,把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜(其中至少有一个是部分透射的)构成的光学谐振腔中(图1),处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中,非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外;轴向传播的光波却能在腔内往返传播,当它在激光物质中传播时,光强不断增长。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗δ(G0是小信号增益系数),则可产生自激振荡。此时从部分透射镜输出一束受激发射光──激光。

激光器由激光工作物质、激励系统、光学谐振腔组成(图2)。

激光模式

在光谐振腔内存在的满足边界条件的电磁场,其本征态称为激光模式。不同模式具有不同的频率和不同的场分布。光腔模式可以分解为纵模和横模,分别对应于光腔模的纵向(腔轴 z方向)光场分布和横向(xy方向)光场分布。通常用TEM来标志模式,mnq为正整数。横模指数mn分别表示在xy方向上(轴对称情况)光场为零的次数(图3);纵模指数q 表示驻波场在z 方向上的波腹数。振荡纵模数目决定于腔长、激光工作物质的自发发射谱线宽度、激励强弱、损耗大小和谱线加宽机制。在适当的条件下可获得单纵模振荡。振荡横模数目决定于谐振腔结构、激励强弱和损耗大小等。在适当的条件下可以获得mn=0振荡。基模TEM00q的频率ν=qc/2ηl,式中c为光速,η为激光工作物质的折射率,l为腔长。

激光特性

普通光源发出的自发发射光具有较宽的谱线宽度。在普通光源中,单色性最好的氪灯,在低温条件下谱线宽度��λ为0.0047埃。由于谐振腔的频率选择作用,激光具有很好的单色性。例如,单模稳频的氦氖激光器所发射的6328埃激光,其谱线宽度��λ可小于10-7埃。

普通光源所发射的光射向四面八方。而在激光器中,由于谐振腔的作用,只有轴向传播的光能在腔内往返传播形成激光,因而激光具有很好的方向性。激光所能具有的最小发散角θ受衍射极限的限制,θλ/2��,式中λ为激光波长,��为谐振模的腰部直径。

普通光源所发出的自发发射光是非相干的。激光是在同一相干辐射场感生下产生的受激发射光,所以激光的相干性很好。例如,单模稳频氦氖激光器所发射的激光,具有数百米的相干长度,而且光束截面上任何两点的光场也是完全相干的。

若在光学谐振腔内放置一个用以调制谐振腔Q 值的快速光开关,并使光开关在开始激励后的一段时间内处于关闭状态,这样就不能形成振荡,激光跃迁的上能级会积累大量粒子。当粒子数反转程度达到最大时,光开关迅速打开,可得到持续时间很短(10-7~10-9秒)、峰值功率很高(大于兆瓦)的脉冲激光。采用锁模技术,使光束中不同振荡纵模具有确定的相位关系(相位锁定),从而使各个纵模相干叠加,可得到峰值功率为1012~1013瓦、脉宽为10-11~10-13秒的超短脉冲激光。激光能量在空间上和时间上的高度集中,使激光具有普通光所达不到的高亮度。

激光应用

激光在材料加工、焊接、精密计量、全息技术、准直、印刷、集成电路微加工、激光传感和医疗等方面都获得了广泛的应用。在与传统电子技术密切相关的光电子技术领域中的重要应用有:光纤通信、激光测距、激光雷达、激光制导、激光录像、激光存储、激光显示和激光计算机等。激光在同位素分离、激光化学、光武器等方面也具有广阔的应用前景。激光引发核聚变是实现受控热核反应的重要途径之一。激光在科学研究上的广泛应用,促进了物理学、化学和生物学等学科的发展。

参考书目
  1. A.E.Siegman,An Introduction to Laser and Maser,McGraw-Hill,New York,1971.

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