第五节激光技术.docVIP

激光技术 1917年，伟大的物理学家爱因斯坦(A·Einstein)提出了受激辐射的理论。1958年，美国贝尔实验室的肖洛(A·I·Schawlaw)和哥伦比亚大学的汤斯(C·H·Townes)在《物理评论》上发表了题为《红外线和光的微波激射》的论文，宣布了激光的发明。1960年，美国休斯飞机公司的梅曼(T·H·Maiman)研制成功世界上第一台激光器——红宝石激光器。 激光是一种根据受激发射放大原理产生的相干辐射，与普通光源相比，它具有许多优异性能，因此被广泛应用到工农业生产、能源动力、通信、医疗卫生、文化艺术、军事等领域。激光是20世纪最伟大的发明之一。 一、激光的产生和性质 1．激光的特性 激光是一种非常奇异的光，它具有许多普通光源无法比拟的特点，如能量集中、亮度高、单色性好、相干性强。 (1)能量集中、定向发光、亮度极高。普通光源一般是持续不断地向四面八方发光，因此它发出的光能量无论在时间上还是空间上都弥散开去，很难产生极高的强度。而激光则与此截然不同，它的能量可以在非常短的时间内爆发出来，脉冲激光的闪光时间很短，可达6×10-15s。利用这一特性，激光帮助人类实现了在 10-6s内对瞬态粒子进行追踪观察；在10-12s内对原子距离进行观测；实现了对10-12s的化学过程进行观测，而且按照人类意愿控制化学反应的方向。 在空间上，激光器朝一个方向发射激光，而且光束发散度极小，约1×10-3rad。若把光束再通过望远镜发射出去，发散度还可减小到10-5～10-6rad，其能量往往集中在一条极细的光束中，光束直径只有若干微米。利用激光束可在计算机的芯片上打出孔径只有几十微米的配线微孔。据国外某公司提供的必威体育精装版数据，一个光脉冲可打出孔径为0.5μm的微细孔。 激光的能量在空间和时间上高度集中，再加上它的单色性强，使激光可以产生极高的亮度。激光器(如红宝石激光器)发出的激光亮度比太阳光高千亿倍。 因为激光的亮度极高，所以它能够照亮极远距离的物体。 1962年，人类第一次用从地球发射的激光光束照亮了月球表面。 激光可以产生如此高的亮度，也就是说，激光具有极高的发光强度，它能把物质加热到1×105℃以上的高温。地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强激光照射下1s内即可开始气化。任何一种钻石，即使硬度非常大，激光也可轻而易举地对它打孔。 (2)单色性好，相干时间长、相干长度长。激光器发出的光，其颜色极纯。光学中利用光辐射的波长分布区间来评价光色的单纯性或单色性。光辐射的波长分布区间越窄，其单色性越好。太阳光的波长覆盖了从紫外至红外整个波段，所以它谈不上单色性，因此太阳光是复色光。常见的单色光源单色性最好的是氪灯，它发射的红光分布的波长范围仅为9.5×10-5nm。然而激光器的单色性比氪灯的单色性还好许多倍。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围只有2×10-9nm，是氪灯波长分布范围的1／50000。因此，激光器是非常好的单色光源。 光源的单色性有什么用处呢? 下面以精密测长的例子来给予说明。在光学加工和精密制造中，要求测量的精度在1μm以内，人们发现，利用光波作为长度的单位，也就是用光波的波长作为“尺子”来测量一个物体的长度，其精度可达1／10个波长，即其精度在0.1μm以内。 用激光测距，对远在天外8000km的卫星进行计测，测量误差只有2cm，其测量精度令人惊叹。 此外，激光器输出的光频率极其稳定，其频率相对变化量可以达到10-14s，或者说其相干时间长。如果用这种激光器做时钟，计时准确度可以达10-14s，或者说，经历100万年才误差1s。为什么激光具有上述特殊的性质?激光器是如何发出激光的呢? 2．激光的产生 激光器发明于20世纪60年代，但是其基础理论的提出却要比激光器的发明超前了几乎半个世纪。 早在1917年，著名物理学家爱因斯坦发表了两篇关于光辐射的论文——《按照量子论辐射的发射和吸收》、《关于辐射的量子理论》。 论文中，爱因斯坦用量子论的观点讨论了受激辐射过程，提出了一个具有创造性的假设。他认为，受激辐射是处于高能态的原子，受到外来辐射的激励，在一定条件下发射一个光子，原子由激发态返回基态的辐射过程。在提出受激辐射理论之后，爱因斯坦又对辐射机理作了进一步的研究。他第一次从动量的角度研究了辐射过程。爱因斯坦认为，伴随辐射过程能量转移的同时，还应有动量的传递。也就是说，入射光子与原子碰撞发生受激辐射时，将辐射出与入射光子频率相同、方向一致的光子来，即进去一个光子，出来两个完全相同的光子。事实上，在20世纪50年代初，实验证明受激辐射光与入射光具有相同的频率、相同的位相和偏振态