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產(chǎn)品分類(lèi) |
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| 激光的發(fā)展及其原理 |
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| 激光的發(fā)展及其原理 | | 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間:6月16日 查看次數:606次 | 激光是二十世紀六十年代出現的一種新型光源——激光器發(fā)出的光。激光一詞的本意是受激輻射放大的光。1960年美國休斯研究實(shí)驗室的梅曼制成了第一臺紅寶石激光器，1961年9月中國科學(xué)院長(cháng)春光學(xué)精密機械研究所制成了我國第一臺激光器。此后，在激光器的研制、激光技術(shù)的應用以及激光理論方面都取得了巨大進(jìn)展，并帶動(dòng)了一些新型學(xué)科的發(fā)展，如全息光學(xué)、傅立葉光學(xué)、非線(xiàn)性光學(xué)、光化學(xué)等，激光還與當今的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)——信息產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)。
與激光有關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者有：1964年，美國湯斯、原蘇聯(lián)巴索夫和普洛霍羅夫因在激光理論上的貢獻而獲獎。1981年美國肖洛因發(fā)展激光光譜學(xué)及對激光應用作出的貢獻、美國布隆伯根因開(kāi)拓與激光密切相關(guān)的非線(xiàn)性光學(xué)共同獲獎。1997年美國朱棣文、科恩和飛利浦因首創(chuàng )用激光束將原子冷卻到極低溫度的方法共同獲獎。
激光原理
一．物質(zhì)與光相互作用的規律
光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀(guān)粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身運動(dòng)狀況的表現。
微觀(guān)粒子都具有特定的一套能級（通常這些能級是分立的）。任一時(shí)刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態(tài)（或者簡(jiǎn)單地表述為處在某一個(gè)能級上）。與光子相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級躍遷到另一個(gè)能級，并相應地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E，頻率為=△E/h（h為普朗克常量）。
1. 受激吸收（簡(jiǎn)稱(chēng)吸收）
處于較低能級的粒子在受到外界的激發(fā)（即與其他的粒子發(fā)生了有能量交換的相互作用，如與光子發(fā)生非彈性碰撞），吸收了能量時(shí)，躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱(chēng)為受激吸收。
2. 自發(fā)輻射
粒子受到激發(fā)而進(jìn)入的高能態(tài)，不是粒子的穩定狀態(tài)，如存在著(zhù)可以接納粒子的較低能級，既使沒(méi)有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級（E2）向低能級（E1）躍遷，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 =（E2-E1）/h。這種輻射過(guò)程稱(chēng)為自發(fā)輻射。眾多原子以自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)、傳播方向上的一致，是物理上所說(shuō)的非相干光。
3. 受激輻射、激光
1917年愛(ài)因斯坦從理論上指出：除自發(fā)輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當頻率為=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，也會(huì )引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來(lái)光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為受激輻射。
可以設想，如果大量原子處在高能級E2上，當有一個(gè)頻率 =（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵E2上的原子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)特征完全相同的光子，這兩個(gè)光子再激勵E2能級上原子，又使其產(chǎn)生受激輻射，可得到四個(gè)特征相同的光子，這意味著(zhù)原來(lái)的光信號被放大了。這種在受激輻射過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光。
二．粒子數反轉
愛(ài)因斯坦1917提出受激輻射，激光器卻在1960年問(wèn)世，相隔43年，為什么？主要原因是，普通光源中粒子產(chǎn)生受激輻射的概率極小。
當頻率一定的光射入工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射和受激吸收兩過(guò)程同時(shí)存在，受激輻射使光子數增加，受激吸收卻使光子數減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，粒子在各能級上的分布，遵循平衡態(tài)下粒子的統計分布律。按統計分布規律，處在較低能級E1的粒子數必大于處在較高能級E2的粒子數。這樣光穿過(guò)工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會(huì )減弱不會(huì )加強。要想使受激輻射占優(yōu)勢，必須使處在高能級E2的粒子數大于處在低能級E1的粒子數。這種分布正好與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱(chēng)為粒子數反轉分布，簡(jiǎn)稱(chēng)粒子數反轉。如何從技術(shù)上實(shí)現粒子數反轉是產(chǎn)生激光的必要條件。
理論研究表明，任何工作物質(zhì)，在適當的激勵條件下，可在粒子體系的特定高低能級間實(shí)現粒子數反轉。 |
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