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激光的产生原理及其特性生命科学院张清晨093210激光定义：受激辐射光（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）放大简称激光(laser).一、激光产生的原理1.原子能级的正常态分布波尔兹曼分布定律Nn=N0exp（-）Nn为处在能量为En能级的原子数、N0为原子总数、k为波尔兹曼常数、T为绝对温度.EnkT2.自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射:自发辐射的过程与外界作用无关，各个原于的辐射都是自发地、独立地进行的，因而各个光子的发射方向和初位相都不相同。此外，由于大量原子所处的激发态不尽相同，可以发出不同频率的光，这是普通光源发光机理。由此可见，自发辐射的光一般总不是单色光，而且不是相干光。受激辐射:处在激发态能级上的原子，若有一个外来光子趋近它，这原子就可能受了外来光子的“刺激”(或者称“感应”)，从高能级En向基态Em跃迁而辐射出光子，这个过程称做受激辐射，受激辐射产生的光子和外来光子有完全相同的特征，就是它们的频率、位相、振动方向和传播方向都相同,是特征完全相同的相干光.3.粒子数反转分布必须使光受激辐射占优势，就是要原子在能级上的分布一反常态，使处于高能级的原子数目远远多于低能级的原子数目，通常把这种分布叫做“粒子数反转分布”(inversedistributionofparticles)。工作物质的粒子数反转分布是产生激光的必要条件。•三能级系统•四能级系统4.光学谐振腔:“粒子数反转分布”仅仅是实现光放大的条件，要获得激光输出，还必须把光的放大转化为光的振荡。利用反馈的概念，把放大了的光反馈一部分回来进一步放大，即可产生振荡。这就需要一个光学谐振腔(Opticalresonancecavity)二、激光的特性1.方向性好——普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内（图8-9），这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。2.亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是103瓦／（厘米2.球面度），而一台大功率激光器的输出光亮度经太阳光高出7～14个数量级。这样，尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。3.单色性好——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。4.相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。激光的这一特性使全息照相成为现实。——所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。自1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器，我国也于1961年研制成功国产首台红宝石激光器以来，激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且激光应用领域不断拓展，并形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的“带头技术”之一。5.偏振性好、高电磁场强度。激光的应用•激光的方向性好。由于受嫩辐射的光子与外来光子的传播方向完垒相同，所以几乎是理想的平行光．其•发散角不大于1。一根掇细的激光束．在射出lkm基本上不发散．射出lOkm，光斑的直径也其有8．cm，射判距地•球3．8×10km的月球上，光斑的直径约为3km。•激光的单色性好．白光是复色光·其渡长从3900~．到7tO0．~，波长范匿是3800A，钠光订产生的钠黄光的•波长范围是4^，氖灯是较好的单色光源，波长范围是5×10^。而氨氖激光器发出的激光波长范围是l0^。•激光的亮度授高。一台大型红宝石激光器的亮度比太阳的亮度高200亿倍，只有氢弹爆炸的一瞬间发出•的光才能与它相比。激光又是理想的平行光．当它通过凸透镜时，就会聚到透镜的焦点上．焦点附打很小范嗣•内的温度可达凡千度甚至几万度．足以把金属或非金属熔化和汽化。•激光的相干性好．受激辐射出的光子与外来光子具有相同的频率、振幅、偏振和相位，激光的相干长度可•达几米甚至几十米。激光的亮度高和方向性极好的特点，研究啦激光测距仪，激光雷达和激光准直仪。下面这个图就是用激光雷达来测量风速的装置激光加工．在现代工业中，一些强度大且熔点商的材料的使用相当普遍。如果进行打孔或切割，用机械方法是很困难的。例如．加工手表中的钻石轴承．是在比芝麻还要小的钻石上打孔．要求误差不能超过头发的l／20，目前使用激光来打孔，比机械打孔的效率提高100倍。在加工工业中，高功率的c激光器可用于打孔．切割与焊接等．通过微机控制可以作复杂形状的切割．而低功率的COz激光器可用于切割塑料、陶瓷和纺织品等．切后边缘比较平整，不需进一步处理。澈光武器．叉名死光武器．它的子弹是光子．速度是3xloIm／s．一旦瞄准目标，几乎不用多少时间就可把目标摧毁．激光武器的破坏作用有两十方面．一是高能激光束的机械破坏作用．使飞机或卫星的重要部件穿孔而损坏，二是激光的光学破坏作用．凳胃陆军正在发展PL一s激光武器，可装到M—l6步枪上．它能使敲^双目失明而丧失战斗力，还能探测和破坏敲^的光学传感器．据算，飞机驾驶员被激光致盲lO-3Os，就可导承飞机坠毁．激光通信．又叫做光纤通信．它是刺用比头发还细的玻璃纤维来传播光信号的．光纤通信的优点是t频带宽，通信容量大，传输速度快．一根光鲆可同时传送l0”路电话和l0’套彩电节目．而一根普通导线只能同时通2—3路电话．目前．应用光奸敖据传输速度为3．4Gblt／s，而实验室试验光纤的速度已达16Gblt／s．整套大英百科全书的内窖可在不到一秒的时J可内传送完毕．激光在医学上的应用．激光可用来治疗视罔膜破裂青光眼、校正近视眼清路血管中的血拴等戎房，还可治疗黑色掌皮肤癌和恶性血管肿瘤等．用激光束做手术．手术后感染事低，伤口寂合快．