像个男人一样去战斗:激光炮工作原理

第五节　激光的基本原理

　　一、光与物质的关系

　　前述过光、原子、能级和光谱。物质是由一些同类微粒组成（即原子、分子、离子）。由于这些能级处于不同的能级上，而在这些能级中，用E1及E2分别表示两个能级量，E1所带的能量少，属低能级。E2所带的能量多。为高能级（见图18）。由于粒子所含的能量不同，总的来说粒子在低能级的占多数，高能级的占少数。因此在低能级（E1）中的粒子数大于高能级中（E2）的粒子数。可用图18表示、低能级（E1E2）上粒子数的分布。

　　图18　粒子二能级分布图

　　光与物质作用有三方面

　　（1）受激吸收 低能级E1的粒子当吸收一定频率r21的外来光能时，粒子的能量就会增到E2＝E1＋hr21(h)表示普朗克常数），粒子就从低能级E1跃迁到高能级E2上，（见图19），这一过程叫做受激吸收，而外来光的能量被吸收，使光减弱。粒子进行跃迁不是自发的，要靠外来光子刺激而进行。粒子是否能吸收发来的光子，还得取决于两个能级（E1和E2）性质和趋近于粒子的光子数的多少有关。而与其它方向。位相等方面就无任何限制。

　　（2）自发辐射处于高能级的粒子很不稳定，不可能长时间的停留在高能级上。以氢原子为例，在高能级停留的时间只有10-8秒（粒子在高能级停留的时间为粒子的寿命，寿命长的为亚稳态能级）。因此，在高能级E2中的粒子会迅速跃迁到低能级E1上，同时以光子的形式放出能量hr21＝E2－E1（hr21为辐射光子频率）。（见图20）。这一过程不受到外界的作用时完全是自发的。所产生的光没有一定规律，相位和方向都不一致。不是单色光。我们在日常生活中也可以看到的如日光灯，高压汞灯和一些充有气体的灯，发光都是自发辐射的过程，这些光是向各个方向传播。因此与受辐射发出的光，其相位和方向完全相反。这种以光的形式辐射出来的，叫做自发辐射跃迁。可是在跃迁的过程中有一些不产生光辐射的跃迁，而它们主要是以热的运动形式消耗能量，即为无辐射跃迁。自发辐射的特点，即每一个粒子的跃迁都是自发的，孤立地进行，也就是相互独立，彼此无联系。产生的光子杂乱无章，无规律性。

　　图19　1.基能级上的粒子

　　2.粒子被激发到E2能级上

　　图20　1.处于高能级E2上的粒子

　　2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一干光子

　　（3）受激辐射它是与受激发吸收的相反过程。处于高能级的粒子，在某种频率r21光子诱发下，从原来所在的能级上E2，放出与外来光子完全相同光子，此时既产生了一个光子（受激发前后共有2个光子），使原来的能量减少△E＝hr21。把高能级上的粒子跃迁到低能级E1上的这一过程称做受激辐射（见图21）。

　　受激辐射的特点本身不是自发跃迁，而是受外来光子的刺激产生。因而粒子释放出的光子与原来光子的频率、方向传播、相位及偏振等完全一样，无法区别出哪一个是原来的光子，哪一个是受激发后而产生的光子，受激辐射中由于光辐射的能量与光子数成正比例，因而在受激辐射以后，光辐射能量增大一倍。以波动观点看，设外来光子为一种波，受激辐射产生的光子为另一种波，由于两个波的相位、振动方向，传播的方向及频率相同。两个波合在一起能量就增大一倍，即通过受激辐射光波被放大。外来光子量越多，受激发的粒子数越多，产生的光子越大，能量越高。（参见图22）。

　　图21　1.处于高能级E2上的粒子。

　　2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一个光子。

　　图22　受激辐射时光束放大

　　从上可知，受激辐射及吸收同时存在于光辐射与粒子体系，是在同一整体之中相互对立的两个方面，它们发生的可能性是同等的，这两个方面即受激辐射与吸收哪一个占主导地位，取决于粒子在两个能级上的分布。激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的，也就是在基发态的粒子数尽可能多些。以实现受激辐射。

　　二、粒子数反转与光放大

　　在受激辐射中怎样把粒子数提高到高能级上，总的来说粒子数在能级上的分布有两种：一种是热平衡分布，即粒子体系（同种粒子）在热平衡状态下，各能级上的粒子数遵从玻耳兹曼分布：公式Ni＝Ne－Ei/KT，Ni为单位体积中总的粒子数，K为玻耳兹曼常数（1.38×10-6），T为绝对温度。把两上能级上的粒子数相比时可以看到，N2/N1＝e(-E2-E1)/KT，由于E2＞E1，而绝对T≠0，K是正整数，KT＞0因此N2＜N1。其主要原理是高能级上的粒子数，要比低能级的粒子数少（在受激发时）。光辐射在热平衡状态下的粒子体系在相互作用下，粒子体系吸收光子的数大于受激辐射产生的光子数，光吸收起主导作用。在一般的情况下观察不到光的放大现象，但可以观察到光的吸收现象。要想实现光的放大作用，必须得把热平衡分布倒转过来，就可使粒子数在能级中进行另一种新的分布，即非热平行分布。这种新的分布使高能级上粒子分布的数量大于在低能级上粒子分布的数量，即N2＞N1。这时受激辐射的过程大于吸收过程，从而实现光放大，一般常称为粒子反转分布。所谓的“反转”，是对热平衡分布比较而言。

　　处于高能级被反转上去的粒子很不稳定，常会自发在或在外加的刺激下辐射出能量，从高能级粒子跃迁到低能级上，促使粒子体系回到热平衡分布状态。因而可以看出，实现粒子数反转是实现受激辐射的必要条件之一。粒子数如何实现反转分布，涉及两个方面：一是粒子体系（工作物质）的内结构；二是给工作物质施加外部作用。所讲的工作物质是指在特定条件下能使两个能级间达到非热平衡状态，而实现光放大，不是每一种物质都能做工作物质。粒子体系中有一些粒子的寿命很短暂，只有10-8秒。有一部分寿命相对较长些，如铬离子在高能级E2上寿命只不过是几个毫秒。寿命较长的粒子数能级叫做亚稳态能级，除铬离子外，还有一些亚稳态能级，主要有钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氪离子、氩离子等。有了亚稳态能级，在这一时间内就可以实现某一能级与亚稳态能级实现粒子数反转，以达到对特定频率辐射光进行光放大。意即粒子数反转是产生光放大的内因。那外因是什么？既对亚稳态能级粒子体系（主要工作物质）增加某种的外部作用。由于热平衡的分布中粒子体系处于低能级的粒子数，总是大于处在高能级上的粒子数，当要实现粒子数反转，就得给粒子体系增加一种外界的作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程被叫做激励，或被称为泵浦，尤如把低处的水抽到高处一样。

　　经过大量实践，了解并掌握了一些粒子数反转的有效方法。对固体形的工作物质常应用强光照射的办法，即为光激励。这类工作物质常应用的有掺铬刚玉、掺钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等等。对气体形的工作物质，常应用放电的办法，促进特定储存气体物质按一定的规律经放电而激励，常应用的工作气体物质，有分子气体（如CO2气体）及原子气体（如He-Ne原子气体）（见图23）。如工作物质为半导体的物质，采用注入大电流方法激励发光，常见的有砷化镓，这类注入大电流的方法被叫做注入式激励法。此外，还可应用化学反应方法（化学激励法）、超音速绝热膨胀法（热激励），电子束甚至用核反应中生成的粒子进行轰击（电子束泵浦、核泵浦）等方法，都能实现粒子数反转分布。从能量角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。激光器中激光能量的来源，是由激励装置，其它形式的能量（诸如光、电、化学、热能等）转换而来。

　　图23

　　三、光学谐振腔

　　处于粒子数反转状态的粒子体系（工作物质）。具有特定频率的光进行放大。激光振荡器中工作物质发出的光不是外来的，而是工作物质本身自发跃迁而产生的，即自发辐射（非受激辐射）。由于自发辐射没有确定的频率及传播方向，且杂乱无章。为使自发辐射频率单一性，就需要有一装置来实现，即光学谐振腔。

　　要解决自发辐射，使其呈单一性的方法是只有在工作物质的两侧放置两块反射镜。而且两块反射镜必须彼此平行，并与工作物质的光轴垂直（见图24）。两个反射镜中，一个是全反射镜，反射有效率为99.8％，一个是半反射镜。反射率为40％～60％。谐振腔即指两块反射镜构成的空间。在谐振腔中，初始的光辐射是来自自发辐射，即处于高能级上粒子自发辐射光子跃迁到低能级。由于这类辐射出来的光子初相位无规律地向四面八方射出。这种光不是激光。而是像点烯的一个火种——尤如生炉子点火一样。

　　图24　激光振荡反射示意图

　　自发辐射光子不断产生，同时射向工作物质，再激发工作物质产生很多新光子（受激辐射）。光子在传播中一部分射到反射镜上，另一部分则通过侧面的透明物质跑掉。光在反射镜的作用下又回到工作物质中，再激发高能级上的粒子向低能级跃迁，而产生新的光子。在这些光子中，不在沿谐振腔轴方向运动的光子。就不与腔内的物质作用。沿轴方向运动的光子，经过谐振腔中的两个反射镜多次反射，使受激辐射的强度越来越强。促使高能级上的粒子不断地发出光来。如果光放大到超过光损耗时（衍射、吸收、散射等损失）产生光的振荡，使积累在沿轴方向的光，从部分反射镜中射出这就形成激光。

　　在谐振腔的反馈过程中，我们了解到光只能沿谐振腔的轴向传播，因此激光具有很高的方向性。又由于谐振腔中两个反射镜之间距离不同，光在腔内不断地反射，得到加强。而其它波长的光在腔内很快被衰减掉，谐振腔就可以选择一固定波长，说明激光具有单色性。而激光的亮度高是由光放大产生的。

　　四、产生激光的条件和过程

　　激光的产生，必须有激光器，而激光器必须具备三个主要的组成部分。

　　1．激活物质　即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也称做激光工作物质。诸如氖、氩、CO2、红宝石及钕玻璃等。必须具备有亚稳态能级性质的物质。

　　2．激励装置　能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，既称为激励装置。如各种激光器所具备的电源。

　　3．光学谐振腔能使光子在其中重复振荡并多次被放大的一种由硬质玻璃制成的谐振腔。产生激光的过程可归纳为：激励→激活介质（即工作物质）粒子数反转；被激励后的工作物质中偶然发出的自发辐射→其它粒子的受激辐射→光子放大→光子振荡及光子放大→激光产生。

　　基于以上所述，在激光产生的原则中缺一因素不可。从原理了解激光形成的过程，对具体使用好激光手术刀很重要。并可能在工作中能得心应手地掌握激光。能尽量大限度地维护激光器，及防止在使用激光治疗各类疾病时所产生的伤害。由于激光波长与不同种类的激光器中的工作物质密切相关，在后将作详述。

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http://gb.chinabroadcast.cn/3821/2004/08/09/107@260097.htm

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