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激光

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放大字體  縮小字體    發(fā)布日期:2019-08-31  來源:儀器信息網(wǎng)  作者:Mr liao  瀏覽次數(shù):1036
核心提示:激光,相信大家都不陌生,不少大城市里的激光表演,一束束細細的強光劃破蒼穹,沖向寰宇,很是震撼,讓人大飽眼福,還有不少人喜歡買市面上激光筆到處照射,相比普通光的手電筒,可以說是酷斃了。激光的指向性強,光束發(fā)散角度小,可以在傳播很遠的距離之后仍有很高的強度,因此常被用于瞄準、測量探測,甚至用作“刀”和“鉆”被用于切割、打孔、手術(shù)等。激光的特點,和普通光源相比的區(qū)別(1)方向性好激光發(fā)射后發(fā)散角非常小,激光射出20公里,光斑直徑只有20——30厘米,激光射到38萬公里的月球上,其光斑直徑還不到2公里。(2)單色

激光,相信大家都不陌生,不少大城市里的激光表演,一束束細細的強光劃破蒼穹,沖向寰宇,很是震撼,讓人大飽眼福,還有不少人喜歡買市面上激光筆到處照射,相比普通光的手電筒,可以說是酷斃了。激光的指向性強,光束發(fā)散角度小,可以在傳播很遠的距離之后仍有很高的強度,因此常被用于瞄準、測量探測,甚至用作“刀”和“鉆”被用于切割、打孔、手術(shù)等。


激光的特點,和普通光源相比的區(qū)別


(1)方向性好


激光發(fā)射后發(fā)散角非常小,激光射出20公里,光斑直徑只有20——30厘米,激光射到38萬公里的月球上,其光斑直徑還不到2公里。


(2)單色性好


光的顏色由光的不同波長決定,不同的顏色,是不同波長的光作用于人的視覺的不同而反映出來。激光的波長基本一致,譜線寬度很窄,顏色很純,單色性很好。由于這個特性,激光在通信技術(shù)中應(yīng)用很廣。


(3)亮度高


由于激光的發(fā)射能力強和能量的高度集中,所以亮度很高,它比普通光源高億萬倍,比太陽表面的亮度高幾百億倍。亮度是衡量一個光源質(zhì)量的重要指標,若將中等強度的激光束經(jīng)過會聚,可在焦點出產(chǎn)生幾千到幾萬度的高溫。


(4)相干性好


相干性是所有波的共性,但由于各種光波的品質(zhì)不同,導致它們的相干性也有高低之分。普通光是自發(fā)輻射光,不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光不同于普通光源,它是受激輻射光,具有極強的相干性,所以稱為相干光。


激光的產(chǎn)生原理、特點和應(yīng)用


激光產(chǎn)生原理


激光之所以和普通光表現(xiàn)如此不同,是因為產(chǎn)生原理不一樣


1、我們先看看普通光的產(chǎn)生原理——受激吸收和自發(fā)輻射


普通常見光源的發(fā)光(如電燈、火焰、太陽等地發(fā)光)是由于物質(zhì)在受到外來能量(如光能、電能、熱能等)作用時,原子中的電子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級,即原子被激發(fā)。激發(fā)的過程是一個“受激吸收”過程。處在高能級(E2)的電子壽命很短(一般為10-8~10-9秒),在沒有外界作用下會自發(fā)地向低能級(E1)躍遷,躍遷時將產(chǎn)生光(電磁波)輻射。輻射光子能量為 


hυ=E2-E1 


這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機過程,各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨立,互不關(guān)聯(lián),即所輻射的光在發(fā)射方向上是無規(guī)則的射向四面八方,另外未位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級有一個寬度,所以發(fā)射光的頻率也不是單一的,而有一個范圍。 


在通常熱平衡條件下,處于高能級E2上的原子數(shù)密度N2,遠比處于低能級的原子數(shù)密度低,這是因為處于能級E的原子數(shù)密度N的大小時隨能級E的增加而指數(shù)減小,即N∝exp(-E/kT),這是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個能級上的原子數(shù)密度比為 


N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT} 


式中k為波耳茲曼常量,T為絕對溫度。因為E2 E1,所以N2《N1。例如,已知氫原子基態(tài)能量為E1=-13.6eV,第一激發(fā)態(tài)能量為E2=-3.4eV,在20℃時,kT≈0.025eV,則 


N2/N1∝exp(-400)≈0 


可見,在20℃時,全部氫原子幾乎都處于基態(tài),要使原子發(fā)光,必須外界提供能量使原子到達激發(fā)態(tài),所以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)輻射兩個過程。一般說來,這種光源所輻射光的能量是不強的,加上向四面八方發(fā)射,更使能量分散了。 


2、激光的基本原理——受激輻射和光的放大


由量子理論知識知道,一個能級對應(yīng)電子的一個能量狀態(tài)。電子能量由主量子數(shù)n(n=1,2,…)決定。但是實際描寫原子中電子運動狀態(tài),除能量外,還有軌道角動量L和自旋角動量s,它們都是量子化的,由相應(yīng)的量子數(shù)來描述。對軌道角動量,波爾曾給出了量子化公式Ln=nh,但這不嚴格,因這個式子還是在把電子運動看作軌道運動基礎(chǔ)上得到的。嚴格的能量量子化以及角動量量子化都應(yīng)該有量子力學理論來推導。 


量子理論告訴我們,電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時只能發(fā)生在l(角動量量子數(shù))量子數(shù)相差±1的兩個狀態(tài)之間,這就是一種選擇規(guī)則。如果選擇規(guī)則不滿足,則躍遷的幾率很小,甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級,一旦電子被激發(fā)到這種能級上時,由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則,可使它在這種能級上的壽命很長,不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級上。這種能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。但是,在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級,并放出光子。這種過程是被“激”出來的,故稱受激輻射。 


受激輻射的概念世愛因斯坦于1917年在推導普朗克的黑體輻射公式時,第一個提出來的。他從理論上預言了原子發(fā)生受激輻射的可能性,這是激光的基礎(chǔ)。 


受激輻射的過程大致如下:原子開始處于高能級E2,當一個外來光子所帶的能量hυ正好為某一對能級之差E2-E1,則這原子可以在此外來光子的誘發(fā)下從高能級E2向低能級E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點,就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子,不僅頻率(能量)相同,而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是,入射一個光子,就會出射兩個完全相同的光子。這意味著原來光信號被放大這種在受激過程中產(chǎn)生并被放大的光,就是激光。 


3、產(chǎn)生激光的首要條件是——實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)


一個誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射,而且它也能引起受激吸收,所以只有當處在高能級地原子數(shù)目比處在低能級的還多時,受激輻射躍遷才能超過受激吸收,而占優(yōu)勢。由此可見,為使光源發(fā)射激光,而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級的數(shù)目比低能級上的多,這種情況,稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下,原子幾乎都處于最低能級(基態(tài))。因此,如何從技術(shù)上實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。


能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)。要造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,首先要求介質(zhì)有適當?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu),其次還要有必要的能量輸入系統(tǒng)。供給低能態(tài)的原子以能量,促使它們躍遷到高能態(tài)去的過程稱為抽運過程。


激光的危害


由于激光是一種光,所以人體對光最敏感的器官是眼睛。因此激光對人的損害,最需要防護的是眼睛。


眼球是很精細的光能接受器,它是由不同屈光介質(zhì)和光感受器組成的極靈敏的光學系統(tǒng)。它能將一定波長的光輻射傳輸?shù)窖鄣?,使其在視網(wǎng)膜上成像。眼屈光介質(zhì)有很強的聚焦作用,將入射光束高度匯聚成很小的光斑,從而使視網(wǎng)膜單位面積內(nèi)接受的光能,比入射到角膜的光能提高105倍。視網(wǎng)膜光感受器是極靈敏的光敏組織,在藍、綠光譜內(nèi)只要8~10個光子就可以產(chǎn)生視覺,其能量相當于1.4×10-5焦耳/厘米2。因此,眼球是激光最敏感的器官,很容易受到激光的傷害。


目前,常用的激光振蕩波長從0.2微米的紫外線開始,包括可見光、近紅外線、中紅外線直到遠紅外線。由于人眼的各部分對不同波長光輻射的透射與吸收不同對眼的損傷部位與損傷程度也不同。一般來說,紫外線與遠紅外線在一定劑量范圍內(nèi)主要損傷角膜,可見光與近紅外線波段的激光主要損傷視網(wǎng)膜,超過一定劑量范圍各波段激光可同時損傷角膜,晶體與視網(wǎng)膜,并可造成其他屈光介質(zhì)的損傷。


總之,激光對眼球前部組織的損傷主要是該部分組織對紫外線與紅外線激光輻射比較敏感,造成白內(nèi)障。而激光對視網(wǎng)膜的損傷則主要是由于可見激光(如紅寶石、氬離子、氪離子、氦氖、氦鎘與倍頻釹激光等)與紅外線激光(如釹激光等)均能透過眼屈光介質(zhì)到達視網(wǎng)膜,其透射率在42~88%,視網(wǎng)膜與脈絡(luò)膜有效吸收率在5.4~65%之間。其中倍頻釹激光發(fā)射0.53微米波長,十分接近血紅蛋白的吸收峰。因此,倍頻釹激光容易被視網(wǎng)膜與脈絡(luò)膜吸收。另外,造成眼底損傷的能量也很低,只要很少的能量就可以產(chǎn)生較嚴重的損害,將視網(wǎng)膜局部破壞,成為永久性傷害。


激光的應(yīng)用


世界上第一臺激光器誕生于1960年,我國于1961年研制出第一臺激光器,40多年來,激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛,已與多個學科相結(jié)合形成多個應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域,比如光電技術(shù),激光醫(yī)療與光子生物學,激光加工技術(shù),激光檢測與計量技術(shù),激光全息技術(shù),激光光譜分析技術(shù),非線性光學,超快激光學,激光化學,量子光學,激光雷達,激光制導,激光分離同位素,激光可控核聚變,激光武器等等。這些交叉技術(shù)與新的學科的出現(xiàn),大大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。


激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工以及做為光源,識別物體等的一門技術(shù),傳統(tǒng)應(yīng)用最大的領(lǐng)域為激光加工技術(shù)。激光技術(shù)是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術(shù)。傳統(tǒng)上看,它的研究范圍一般可分為,加工系統(tǒng)(包括激光器、導光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng));加工工藝(包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調(diào)等各種加工工藝):


 
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