激光入門知識

一、激光產生原理、普通光源的發(fā)光——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，躍遷時將產生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為hu=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弋0.025eV，貝UN2/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。、受激輻射和光的放大由量子理論知識知道，一個能級對應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上得到的。嚴格的能量量子化以及角動量量子化都應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)貝。如果選擇規(guī)貝不滿足，貝躍遷的幾率很小，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)貝，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。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hu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生并被放大的光，就是激光。、粒子數(shù)反轉一個誘發(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。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)）。因此，如何從技術上實現(xiàn)粒子數(shù)反轉則是產生激光的必要條件。二、激光器的結構激光器一般包括三個部分。、激光工作介質激光的產生必須選擇合適的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體。在這種介質中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉世非常有利的?，F(xiàn)有工作介質近千種，可產生的激光波長包括從真空紫外道遠紅外，非常廣泛。、激勵源為了使工作介質中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數(shù)比下能級多。、諧振腔有了合適的工作物質和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，但這樣產生的受激輻射強度很弱，無法實際應用。于是人們就想到了用光學諧振腔進行放大。所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，產生強烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。下面以紅寶石激光器為例來說明激光的形成。工作物質是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價鉻離子的三氧化二鋁晶體。實際是摻入質量比約為0.05%的氧化鉻。由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍光，所以寶石呈粉紅色。1960年梅曼發(fā)明的激光器所產用的紅寶石是一根直徑0.8cm、長約8cm的圓棒。兩端面是一對平行平面鏡，一端鍍上全反射膜，一端有10%的透射率，可讓激光透出。紅寶石激光器中，用高壓氙燈作“泵浦”，利用氙燈所發(fā)出的強光激發(fā)鉻離子到達激發(fā)態(tài)E3，被抽運到E3上的電子很快（?10—8s）通過無輻射躍遷到E2。E2是亞穩(wěn)態(tài)能級，E2到E1的自發(fā)輻射幾率很小，壽命長達10-3s，即允許粒子停留較長時間。于是，粒子就在E2上積聚起來，實現(xiàn)E2和E1兩能級上的粒子數(shù)反轉。從E2到E1受激發(fā)射的波長是694.3nm的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一個光脈沖的持續(xù)時間不到1ms，每個光脈沖能量在10J以上；也就是說，每個脈沖激光的功率可超過10kW的數(shù)量級。注意到上述鉻離子從激發(fā)到發(fā)出激光的過程中涉及到三條能級，故稱為三能級系統(tǒng)。由于在三能級系統(tǒng)中，下能級E1是基態(tài)，通常情況下積聚大量原子，所以要達到粒子數(shù)反轉，要有相當強的激勵才行。三、激光器的種類對激光器有不同的分類方法，一般按工作介質的不同來分類，在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器。另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功率大小分類。、固體激光器一般講，固體激光器具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率大的特點。這種激光器的工作介質是在作為基質材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達100W以上，脈沖峰值功率可達109W。、氣體激光器氣體激光器具有結構簡單、造價低；操作方便；工作介質均勻，光束質量好；以及能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點。這也是目前品種最多、應用廣泛的一類激光器，占有市場達60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一種。、半導體激光器半導體激光器是以半導體材料作為工作介質的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵方式有光泵浦、電激勵等。這種激光器體積小、質量輕、壽命長、結構簡單而堅固，特別適于在飛機、車輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術的發(fā)展大大推動了半導體激光器的發(fā)展。、液體激光器常用的是染料激光器，采用有機染料最為工作介質。大多數(shù)情況是把有機染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光（在可見光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復雜。輸出波長連續(xù)可調，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點，使它也得到廣泛應用。四、激光簡史和我國的激光技術自愛因斯坦1917年提出受激輻射概念后，足足經過了40年，直到1958年，美國兩位微波領域的科學家湯斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw）才打破了沉寂的局面，發(fā)表了著名論文《紅外與光學激射器》，指出了受激輻射為主的發(fā)光的可能性，以及必要條件事實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉”。他們的論文史在光學領域工作的科學家馬上興奮起來，紛紛提出各種實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的實驗方案，從此開辟了嶄新的激光研究領域。同年蘇聯(lián)科學家巴索夫和普羅霍羅夫發(fā)表了《實現(xiàn)三能級粒子數(shù)反轉和半導體激光器建議》論文，1959年9月湯斯又提出了制造紅寶石激光器的建議??1960年5月15日加州休斯實驗室的梅曼（T.H.Maiman）制成了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了波長為694.3nm的激光。梅曼是利用紅寶石進體做發(fā)光材料，用發(fā)光密度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源（如圖所示），實際他的研究早在1957年就開始了，多年的努力終于活動了歷史上第一束激光。1964年，湯斯、巴索夫和普羅霍夫由于對激光研究的貢獻分享了諾貝爾物理學獎。中國第一臺紅寶石激光器于1961年8月在中國科學院長春光學精密機械研究所研制成功。這臺激光器在結構上比梅曼所設計的有了新的改進，尤其是在當時我國工業(yè)水平比美國低得多，研制條件十分困難，全靠研究人員自己設計、動手制造。在這以后，我國的激光技術也得到了迅速發(fā)展，并在各個領域得到了廣泛應用。1987年6月，1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)——神光裝置，在中國科學院上海光學精密機械研究所研制成功，多年來為我國的激光聚變研究作出了很好的貢獻。（2）脈彳薊激光脈彳薊工作方式是指每^隔一定畤^才工作一次的方式。脈彳薊激光器具有較大輸出功率，遹合于激光打檄、切割、測距等。常冕的脈彳薊激光器：固tt激光器中的金Z金呂石榴石（YAG）激光器、^^石激光器、致玻璃激光器等。逮有氮分子激光器、型分子激光器等。（3）巨脈彳薊激光在腔內人焉的加入損耗，是其大于工作物^的增益，道畤沒有激光輸出。但在泵浦源持^不斷的激勵下，激光上能級的原子數(shù)越來越多，得到了較大的粒子數(shù)反醇。如果定羲峰值功率焉脈彳薊的能量除以脈彳薊的持^畤^（脈寬），那麼，在撤除人篇加入的損耗情況下，就曾在很短的畤^內以趣快的速度筐生脈彳薊寬度窄、峰值功率高的脈彳薊激光，常穗篇巨脈彳薊。Q^昌制技秫?。貉匀蘜^^潮空內損耗。Q=w彳^存在^振腔中的能量/每秒損失的能量Q^昌制激光器：采用Q^昌制技秫亍的激光器。（4）超短脈彳薊激光二、氟t激光器以氟t或金^蒸氟作禹主要工作物^的激光器。分類尾原子氟t激光器、分子氟t激光器和蹄子氟t激光器。氟t激光器畤目前槿^最多、輸出激光波晨最瞿富、愿用最廉的一槿激光器。特黠：激光輸出波晨輪圉較寬；氟t的光擘均勻性較好，因此輸出的光束^量好，其軍色性、相干性和光束穩(wěn)定性均好。醇致了在精密^算、準直、通信、雷逢、全息等方面的廉泛鷹用。氟t激光器一般用氧t放雷激勵，在直流的激光管中，必須有一他放雷的隙趣和H趣。^振腔一般采用穩(wěn)定的球面腔，一端篇全反射^，另一端即輸出端，焉部分反射^。三、半醇t激光器半醇t激光器：用半醇t材料作篇工作物^的激光器。半醇t中姓生激光的方法：P-N結注入式、霜子束激彝、光激彝以及雪崩式擎穿等。四、液t激光器激光工作物^式液t的激光器，穗焉液t激光器。主要包括螯合物激光器、輾檄液t激光器和有檄染料激光器。目前愿用比較潢泛的是有檄染料激光器。它以染料作篇激光工作物^，裝入染料盒中使用的染料，大多溶于乙醇、苯、水及其他溶剜中。激彝手段主要包括采用巨脈彳薊的激光器或采用特槿雷源裝置的陽光燎。染料激光器褐特的輸出特性：輸出激光^女羹寞；光束彝散角?。患す廨敵霾ǔ抗嬉魄冢蒦^皆）；某雨槿染料混合可以彥生輸出心波晨的染料；激活蹄子密度大，增益彳系數(shù)高，可得到較高輸出功率。另外，^格便宜、能量醇換效率高、光擘均勻性好、冷卻方便。四、激光的生物學作用基礎目前認為激光生物學作用的生物物理學基礎主要是光效應、電磁場效應、熱效應、壓力與沖擊波效應。（一）光效應激光照射生物組織所引起的光效應中主要決定于組織對于不同波長激光的透過系數(shù)（）和吸收系數(shù)（）。不同的組織及組織中的不同物質對于不同波長的激光的透過系數(shù)和吸收系數(shù)是不同的，對組織的光效應大小由與的乘積決定。?的積愈大，則此種激光對該組織的光效應也愈大，例如：用于視網(wǎng)膜凝固，波長為的紅寶石激光作用于視網(wǎng)膜時，-=1,這個數(shù)值比較大，故光凝固效果好，但對視網(wǎng)膜乃是波長為的激光的與的乘積最大，即光效應最佳。組織吸收了激光的量子之后可產生光化學反應、光電效應、電子躍遷、繼發(fā)其它波長的輻射（如熒光）、熱能、自由基、細胞超微發(fā)光（生物化學發(fā)光、系自由基重新結合時釋放出來的），可造成組織分解和電離，最終影響受照射組織的結構和功能，甚至導致?lián)p傷。光化學反應在光效應中有重要的作用，普通光所引起的各種類型的光化學反應，激光也都可引起。激光作用于活組織的光效應大小，除激光本身的各種性能外，組織的著色程度或稱感光體（色素）的類型起著重要的作用，互補色或近互補色的作用效果最明顯。不同顏色的皮膚，不同顏色的臟器或組織結構對激光的吸收可有顯著差異。在醫(yī)療和基礎研究中，為增強激光對組織的光效應，可采用局部染色法，并充分利用互補色作用最佳這一特點。另一方面，也可利用此法限制和減少組織對激光的吸收。（二）熱效應激光的本質是電磁波，若其傳播的頻率與組織分子等的振動頻率相等或相近，就將增強其振動，這種分子振動即產生熱的機理，故也稱熱振動。在一定的條件下作用于組織的激光能量多轉變?yōu)闊崮?，故熱效應是激光對組織作用的重要因素。分子熱運動波長主要表現(xiàn)在紅外線波段附近，因此二氧化碳激光器輸出的紅外激光對組織的熱作用甚強烈，一定類型和功率的激光照射生物組織時，在幾毫秒內可產生?00上的高溫，這是因為激光，特別是聚焦激光能夠在微細的光束內集中極大的能量，例如：數(shù)十焦耳的紅寶石激光或釹玻璃激光聚焦于組織微區(qū)，能在數(shù)毫秒內使該區(qū)產生數(shù)百度的高溫，以致破壞該部位的蛋白質，造成燒傷或氣化，而數(shù)十焦耳的普通光是根本無此作用的。此外，還發(fā)現(xiàn)激光引起的升溫，當停止照射后，其下降的速度比任何方式引起的升溫下降速度慢，例如：數(shù)十焦耳紅寶石或釹玻璃脈沖激光引起的升溫要下降到原正常溫度，約需數(shù)十分鐘。（三）壓強效應當一束光輻射到某一物體時，在物體上產生輻射壓力，激光比普通光的輻射壓力強的多。若焦點處的能量密度為10瓦8/平方厘米，其壓力為40克/平方厘米；當激光束聚焦到0.毫2米以下的光點時，壓力可達20克0/平方厘米；用10瓦7巨脈沖紅寶石激光照射人體或動物的皮膚標本時，產生的壓力實際測定為公斤/平方厘米。當激光束照射活組織時，由于單位面積上的壓力很大，故活體組織表面的壓力傳入到組織內部，即組織上輻射的部分激光的能量變?yōu)闄C械壓縮波，出現(xiàn)壓力梯度。如果激光束壓力大到能使照射的組織表面粒子蒸發(fā)的程度，則噴出活組織粒子，并導致同噴出的粒子運動方向相反的機械脈沖波（反沖擊）——沖擊波出現(xiàn)，這種沖擊波可使活組織逐層噴出不同數(shù)量的粒子，最后形成圓錐形“火山口”狀的空陷。除上述由于