想一想:激光是什么?它有哪些用途?

【專家解說】：激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。
　　光是從組成物質(zhì)的原子中發(fā)射出來的，原子獲得能量后處于不穩(wěn)定狀態(tài)（也就是激發(fā)狀態(tài)），它會(huì)以光子的形式把能量發(fā)射出去。而激光，就是被引誘（激發(fā)）出來的光子隊(duì)列，這光子隊(duì)列中的光子們，光學(xué)特性一樣，步調(diào)極其一致。打個(gè)比方就是，普通光源，比如電燈泡發(fā)出來的光子各不同，而且會(huì)各個(gè)方向亂跑，很不團(tuán)結(jié)，但是激光中的光子們則是心往一處想，勁往一處使，這導(dǎo)致它們所向披靡，威力很大，以至于，人們過去常把激光稱為“死光”。
　　激光最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫詞。意思是“通過受激輻射光擴(kuò)大”。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過程，激光的原理早在 1916年已被著名的美國物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)。1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激輻射”改稱“激光”。激光應(yīng)用很廣泛，主要有激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光光譜、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器等等。
　　激光原理：

　　光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身運(yùn)動(dòng)狀況的表現(xiàn)。
　　微觀粒子都具有特定的一套能級(jí)（通常這些能級(jí)是分立的）。任一時(shí)刻粒子只能處在與某一能級(jí)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)（或者簡(jiǎn)單地表述為處在某一個(gè)能級(jí)上）。與光子相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，并相應(yīng)地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級(jí)的能量差△E，頻率為ν=△E/h（h為普朗克常量）。
　　1.受激吸收（簡(jiǎn)稱吸收）
　　處于較低能級(jí)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(duì)應(yīng)的較高能級(jí)。這種躍遷稱為受激吸收。
　　2.自發(fā)輻射
　　粒子受到激發(fā)而進(jìn)入的激發(fā)態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級(jí)，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級(jí)激發(fā)態(tài)（E2）向低能級(jí)基態(tài)（E1）躍遷，同時(shí)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(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，是物理上所說的非相干光。
　　3.受激輻射、激光
　　1917年愛因斯坦從理論上指出：除自發(fā)輻射外，處于高能級(jí)E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級(jí)。他指出當(dāng)頻率為 ν=（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(jí)E2躍遷到能級(jí)E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過程稱為受激輻射。
　　可以設(shè)想，如果大量原子處在高能級(jí)E2上，當(dāng)有一個(gè)頻率 ν=（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵(lì)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(lì)E2能級(jí)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，這意味著原來的光信號(hào)被放大了。這種在受激輻射過程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光。
　　愛因斯坦1917提出受激輻射，激光器卻在1960年問世，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(dāng)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程同時(shí)存在，受激輻射使光子數(shù)增加，受激吸收卻使光子數(shù)減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，粒子在各能級(jí)上的分布，遵循平衡態(tài)下粒子的統(tǒng)
　　計(jì)分布律。按統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，處在較低能級(jí)E1的粒子數(shù)必大于處在較高能級(jí)E2的粒子數(shù)。這樣光穿過工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會(huì)減弱不會(huì)加強(qiáng)。要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，必須使處在高能級(jí)E2的粒子數(shù)大于處在低能級(jí)E1的粒子數(shù)。這種分布正好與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)募?lì)條件下，可在粒子體系的特定高低能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。若原子或分子等微觀粒子具有高能級(jí)E2和低能級(jí)E1，E2和E1能級(jí)上的布居數(shù)密度為N2和N1，在兩能級(jí)間存在著自發(fā)發(fā)射躍遷、受激發(fā)射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發(fā)射躍遷所產(chǎn)生的受激發(fā)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(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的受激發(fā)射光是相干的。受激發(fā)射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場(chǎng)的單色能量密度。當(dāng)兩個(gè)能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重相等時(shí)，兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2<N1，所以自發(fā)吸收躍遷占優(yōu)勢(shì)，光通過物質(zhì)時(shí)通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵(lì)可以破壞熱平衡而使N2>N1，
　　這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。在這種情況下，受激發(fā)射躍遷占優(yōu)勢(shì)。光通過一段長為l的處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）后，光強(qiáng)增大eGl倍。G為正比于（N2-N1）的系數(shù)，稱為增益系數(shù)，其大小還與激光工作物質(zhì)的性質(zhì)和光波頻率有關(guān)。一段激活物質(zhì)就是一個(gè)激光放大器。如果，把一段激活物質(zhì)放在兩個(gè)互相平行的反射鏡（其中至少有一個(gè)是部分透射的）構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中，處于高能級(jí)的粒子會(huì)產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)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(nèi)往返傳播，當(dāng)它在激光物質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)不斷增長。如果諧振腔內(nèi)單程小信號(hào)增益G0l大于單程損耗δ（G0l是小信號(hào)增益系數(shù)），則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為不同的能級(jí)，當(dāng)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)釋放出相應(yīng)能量的光子（所謂自發(fā)輻射）。