鐳射是如何形成的_鐳射的形成原因

　　鐳射是20世紀以來人類的又一重大發明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。對於鐳射的形成，很多人都好奇其中的原因。下面由小編為你詳細介紹鐳射的相關知識。

　　形成鐳射的原因

　　光與物質的相互作用，實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻射光子，同時改變自身運動狀況的表現。

　　微觀粒子都具有特定的一套能級***通常這些能級是分立的***。任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態***或者簡單地表述為處在某一個能級上***。與光子相互作用時，粒子從一個能級躍遷到另一個能級，並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ν=△E/h***h為普朗克常量***。

　　1.受激吸收***簡稱吸收***

　　處於較低能級的粒子在受到外界的激發***即與其他的粒子發生了有能量交換的相互作用，如與光子發生非彈性碰撞***，吸收了能量時，躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。

　　2.自發輻射

　　粒子受到激發而進入的激發態，不是粒子的穩定狀態，如存在著可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發地從高能級激發態***E2***向低能級基態***E1***躍遷，同時輻射出能量為***E2-E1***的光子，光子頻率 ν=***E2-E1***/h。這種輻射過程稱為自發輻射。眾多原子以自發輻射發出的光，不具有相位、偏振態、傳播方向上的一致，是物理上所說的非相干光。

　　3.受激輻射、鐳射

　　1917年愛因斯坦從理論上指出：除自發輻射外，

　　處於高能級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 ν=***E2-E1***/h的光子入射時，也會引發粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。

　　可以設想，如果大量原子處在高能級E2上，當有一個頻率 ν=***E2-E1***/h的光子入射，從而激勵E2上的原子產生受激輻射，得到兩個特徵完全相同的光子，這兩個光子再激勵E2能級上原子，又使其產生受激輻射，可得到四個特徵相同的光子，這意味著原來的光訊號被放大了。這種在受激輻射過程中產生並被放大的光就是鐳射。

　　愛因斯坦1917提出受激輻射，鐳射器卻在1960年問世，相隔43年，為什麼?主要原因是，普通光源中粒子產生受激輻射的概率極小。當頻率一定的光射入工作物質時，受激輻射和受激吸收兩過程同時存在，受激輻射使光子數增加，受激吸收卻使光子數減小。物質處於熱平衡態時，粒子在各能級上的分佈，遵循平衡態下粒子的統計分佈律。按統計分佈規律，處在較低能級E1的粒子數必大於處在較高能級E2的粒子數。

　　這樣光穿過工作物質時，光的能量只會減弱不會加強。要想使受激輻射佔優勢，必須使處在高能級E2的粒子數大於處在低能級E1的粒子數。這種分佈正好與平衡態時的粒子分佈相反，稱為粒子數反轉分佈，簡稱粒子數反轉。如何從技術上實現粒子數反轉是產生鐳射的必要條件。

　　理論研究表明，任何工作物質，在適當的激勵條件下，可在粒子體系的特定高低能級間實現粒子數反轉。若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1，E2和E1能級上的布居數密度為N2和N1，在兩能級間存在著自發發射躍遷、受激發射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發射躍遷所產生的受激發射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發下產生的受激發射光是相干的。受激發射躍遷機率和受激吸收躍遷機率均正比於入射輻射場的單色能量密度。

　　當兩個能級的統計權重相等時，兩種過程的機率相等。在熱平衡情況下N2<N1，所以自發吸收躍遷佔優勢，光通過物質時通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵可以破壞熱平衡而使N2>N1，

　　這種狀態稱為粒子數反轉狀態。在這種情況下，受激發射躍遷佔優勢。光通過一段長為l的處於粒子數反轉狀態的鐳射工作物質***啟用物質***後，光強增大eGl倍。G為正比於***N2-N1***的係數，稱為增益係數，其大小還與鐳射工作物質的性質和光波頻率有關。一段啟用物質就是一個鐳射放大器。

　　如果，把一段啟用物質放在兩個互相平行的反射鏡***其中至少有一個是部分透射的***構成的光學諧振腔中***圖1***，處於高能級的粒子會產生各種方向的自發發射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內往返傳播，當它在鐳射物質中傳播時，光強不斷增長。如果諧振腔內單程小訊號增益G0l大於單程損耗δ***G0l是小訊號增益係數***，則可產生自激振盪。原子的運動狀態可以分為不同的能級，當原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的光子***所謂自發輻射***。

　　鐳射的基本特性

　　定向發光

　　普通光源是向四面八方發光。要讓發射的光朝一個方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡，使輻射光彙集起來向一個方向射出。鐳射器發射的鐳射，天生就是朝一個方向射出，光束的發散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。1962年，人類第一次使用鐳射照射月球，地球離月球的距離約38萬公里，但鐳射在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個月球。天文學家相信，外星人或許正使用閃爍的鐳射作為一種宇宙燈塔來嘗試與地球進行聯絡。

　　亮度極高

　　在鐳射發明前，人工光源中高壓脈衝氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石鐳射器的鐳射亮度，能超過氙燈的幾百億倍。因為鐳射的亮度極高，所以能夠照亮遠距離的物體。紅寶石鐳射器發射的光束在月球上產生的照度約為0.02勒克斯***光照度的單位***，顏色鮮紅，鐳射光斑肉眼可見。若用功率最強的探照燈照射月球，產生的照度只有約一萬億分之一勒克斯，人眼根本無法察覺。鐳射亮度極高的主要原因是定向發光。大量光子集中在一個極小的空間範圍***出，能量密度自然極高。

　　鐳射的亮度與陽光之間的比值是百萬級的，而且它是人類創造的。

　　鐳射的顏色

　　鐳射的顏色取決於鐳射的波長，而波長取決於發出鐳射的活性物質，即被刺激後能產生鐳射的那種材料。刺激紅寶石就能產生深玫瑰色的鐳射束，它應用於醫學領域，比如用於面板病的治療和外科手術。公認最貴重的氣體之一的氬氣能夠產生藍綠色的鐳射束，它有諸多用途，如鐳射印刷術，在顯微眼科手術中也是不可缺少的。半導體產生的鐳射能發出紅外光，因此我們的眼睛看不見，但它的能量恰好能"解讀"鐳射唱片，並能用於光纖通訊。但有的鐳射器可調節輸出鐳射的波長。

　　鐳射分離技術

　　鐳射分離技術主要指鐳射切割技術和鐳射打孔技術。鐳射分離技術是將能量聚焦到微小的空間，可獲得105~1015W/cm2極高的輻照功率密度，利用這一高密度的能量進行非接觸、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，幾乎可以對任何材料實現鐳射切割和打孔。鐳射切割技術是一種擺脫傳統的機械切割、熱處理切割之類的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產效率等特點。鐳射打孔方法作為在固體材料上加工孔方法之一，已成為一項擁有特定應用的加工技術，主要運用在航空、航天與微電子行業中。

　　顏色極純

　　光的顏色由光的波長***或頻率***決定。一定的波長對應一定的顏色。太陽輻射出的可見光段的波長分佈範圍約在0.76微米至0.4微米之間，對應的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽光談不上單色性。發射單種顏色光的光源稱為單色光源，它發射的光波波長單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發射某一種顏色的光。單色光源的光波波長雖然單一，但仍有一定的分佈範圍。如氖燈只發射紅光，單色性很好，被譽為單色性之冠，波長分佈的範圍仍有0.00001奈米，因此氖燈發出的紅光，若仔細辨認仍包含有幾十種紅色。由此可見，光輻射的波長分佈區間越窄，單色性越好。

　　鐳射器輸出的光，波長分佈範圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖鐳射器為例，其光的波長分佈範圍可以窄到μm級別，是氪燈發射的紅光波長分佈範圍的萬分之二。由此可見，鐳射器的單色性遠遠超過任何一種單色光源。

　　能量極大

　　光子的能量是用E=hv來計算的，其中h為普朗克常量，v為頻率。由此可知，頻率越高，能量越高。鐳射頻率範圍3.846×10^***14***Hz到7.895×10^***14***Hz。

　　電磁波譜可大致分為：

　　***1***無線電波——波長從幾千米到0.3米左右，一般的電視和無線電廣播的波段就是用這種波;

　　***2***微波——波長從0.3米到10^-3米，這些波多用在雷達或其它通訊系統;

　　***3***紅外線——波長從10^-3米到7.8×10^-7米;

　　***4***可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個波段。波長從780—380nm。光是原子或分子內的電子運動狀態改變時所發出的電磁波。由於它是我們能夠直接感受而察覺的電磁波極少的那一部分;

　　***5***紫外線——波長從3 ×10^-7米到6×10^-10米。這些波產生的原因和光波類似，常常在放電時發出。由於它的能量和一般化學反應所牽涉的能量大小相當，因此紫外光的化學效應最強;

　　***6***倫琴射線***X射線***—— 這部分電磁波譜，波長從2×10^-9米到6×10^-12米。倫琴射線***X射線***是電原子的內層電子由一個能態跳至另一個能態時或電子在原子核電場內減速時所發出的;

　　***7***伽馬射線——是波長從10^-10～10^-14米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內發出來的，放射性物質或原子核反應中常有這種輻射伴隨著發出。γ射線的穿透力很強，對生物的破壞力很大。由此看來，鐳射能量並不算很大，但是它的能量密度很大***因為它的作用範圍很小，一般只有一個點***，短時間裡聚集起大量的能量，用做武器也就可以理解了。

　　其他特性

　　鐳射有很多特性：首先，鐳射是單色的，或者說是單頻的。有一些鐳射器可以同時產生不同頻率的鐳射，但是這些鐳射是互相隔離的，使用時也是分開的。其次，鐳射是相干光。相干光的特徵是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一個“波列”。再次，鐳射是高度集中的，也就是說它要走很長的一段距離才會出現分散或者收斂的現象。