『壹』 几个关于激光的问题
粒子数反转与光放大
发布时间：2004-12-27 14:53:58
在受激辐射中怎样把粒子数提高到高能级上，总的来说粒子数在能级上的分布有两种：一种是热平衡分布，即粒子体系（同种粒子）在热平衡状态下，各能级上的粒子数遵从玻耳兹曼分布：公式Ni＝Ne－Ei/KT，Ni为单位体积中总的粒子数，K为玻耳兹曼常数（1.38×10-6），T为绝对温度。把两上能级上的粒子数相比时可以看到，N2/N1＝e(-E2-E1)/KT，由于E2＞E1，而绝对T≠0，K是正整数，KT＞0因此N2＜N1。其主要原理是高能级上的粒子数，要比低能级的粒子数少（在受激发时）。光辐射在热平衡状态下的粒子体系在相互作用下，粒子体系吸收光子的数大于受激辐射产生的光子数，光吸收起主导作用。在一般的情况下观察不到光的放大现象，但可以观察到光的吸收现象。要想实现光的放大作用，必须得把热平衡分布倒转过来，就可使粒子数在能级中进行另一种新的分布，即非热平行分布。这种新的分布使高能级上粒子分布的数量大于在低能级上粒子分布的数量，即N2＞N1。这时受激辐射的过程大于吸收过程，从而实现光放大，一般常称为粒子反转分布。所谓的“反转”，是对热平衡分布比较而言。
处于高能级被反转上去的粒子很不稳定，常会自发在或在外加的刺激下辐射出能量，从高能级粒子跃迁到低能级上，促使粒子体系回到热平衡分布状态。因而可以看出，实现粒子数反转是实现受激辐射的必要条件之一。粒子数如何实现反转分布，涉及两个方面：一是粒子体系（工作物质）的内结构；二是给工作物质施加外部作用。所讲的工作物质是指在特定条件下能使两个能级间达到非热平衡状态，而实现光放大，不是每一种物质都能做工作物质。粒子体系中有一些粒子的寿命很短暂，只有10-8秒。有一部分寿命相对较长些，如铬离子在高能级E2上寿命只不过是几个毫秒。寿命较长的粒子数能级叫做亚稳态能级，除铬离子外，还有一些亚稳态能级，主要有钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氪离子、氩离子等。有了亚稳态能级，在这一时间内就可以实现某一能级与亚稳态能级实现粒子数反转，以达到对特定频率辐射光进行光放大。意即粒子数反转是产生光放大的内因。那外因是什么？既对亚稳态能级粒子体系（主要工作物质）增加某种的外部作用。由于热平衡的分布中粒子体系处于低能级的粒子数，总是大于处在高能级上的粒子数，当要实现粒子数反转，就得给粒子体系增加一种外界的作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程被叫做激励，或被称为泵浦，尤如把低处的水抽到高处一样。
经过大量实践，了解并掌握了一些粒子数反转的有效方法。对固体形的工作物质常应用强光照射的办法，即为光激励。这类工作物质常应用的有掺铬刚玉、掺钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等等。对气体形的工作物质，常应用放电的办法，促进特定储存气体物质按一定的规律经放电而激励，常应用的工作气体物质，有分子气体（如CO2气体）及原子气体（如He-Ne原子气体）。如工作物质为半导体的物质，采用注入大电流方法激励发光，常见的有砷化镓，这类注入大电流的方法被叫做注入式激励法。此外，还可应用化学反应方法（化学激励法）、超音速绝热膨胀法（热激励），电子束甚至用核反应中生成的粒子进行轰击（电子束泵浦、核泵浦）等方法，都能实现粒子数反转分布。从能量角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。激光器中激光能量的来源，是由激励装置，其它形式的能量（诸如光、电、化学、热能等）转换而来。
光学谐振腔
处于粒子数反转状态的粒子体系（工作物质）。具有特定频率的光进行放大。激光振荡器中工作物质发出的光不是外来的，而是工作物质本身自发跃迁而产生的，即自发辐射（非受激辐射）。由于自发辐射没有确定的频率及传播方向，且杂乱无章。为使自发辐射频率单一性，就需要有一装置来实现，即光学谐振腔。
要解决自发辐射，使其呈单一性的方法是只有在工作物质的两侧放置两块反射镜。而且两块反射镜必须彼此平行，并与工作物质的光轴垂直。两个反射镜中，一个是全反射镜，反射有效率为99.8％，一个是半反射镜。反射率为40％～60％。谐振腔即指两块反射镜构成的空间。在谐振腔中，初始的光辐射是来自自发辐射，即处于高能级上粒子自发辐射光子跃迁到低能级。由于这类辐射出来的光子初相位无规律地向四面八方射出。这种光不是激光。而是像点烯的一个火种――尤如生炉子点火一样。
激光振荡反射示意图
自发辐射光子不断产生，同时射向工作物质，再激发工作物质产生很多新光子（受激辐射）。光子在传播中一部分射到反射镜上，另一部分则通过侧面的透明物质跑掉。光在反射镜的作用下又回到工作物质中，再激发高能级上的粒子向低能级跃迁，而产生新的光子。在这些光子中，不在沿谐振腔轴方向运动的光子。就不与腔内的物质作用。沿轴方向运动的光子，经过谐振腔中的两个反射镜多次反射，使受激辐射的强度越来越强。促使高能级上的粒子不断地发出光来。如果光放大到超过光损耗时（衍射、吸收、散射等损失）产生光的振荡，使积累在沿轴方向的光，从部分反射镜中射出这就形成激光。
在谐振腔的反馈过程中，我们了解到光只能沿谐振腔的轴向传播，因此激光具有很高的方向性。又由于谐振腔中两个反射镜之间距离不同，光在腔内不断地反射，得到加强。而其它波长的光在腔内很快被衰减掉，谐振腔就可以选择一固定波长，说明激光具有单色性。而激光的亮度高是由光放大产生的。
激光
激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。
什么叫做“受激辐射”？它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
激光主要有四大特性：激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性
激光的高亮度：固体激光器的亮度更可高达1011W／cm2Sr。不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。
激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件
激光的高单色性：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。
激光的高相干性：相干性主要描述光波各个部分的相位关系。正是激光具有如上所述的奇异特性因此在工业加工中得到了广泛地应用。
目前激光已广泛应用到激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等）、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。
经过30多年的发展，激光现在几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研的方方面面：激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮……，在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用。
经过30多年的发展，激光现在几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研的方方面面：激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮……，在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用。
激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成，目前通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点，但也存在易受天气和环境影响等弱点。激光武器已有30多年的发展历史，其关键技术也已取得突破，美国、俄罗斯、法国、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验。目前低能激光武器已经投入使用，主要用于干扰和致盲较近距离的光电传感器，以及攻击人眼和一些增强型观测设备；高能激光武器主要采用化学激光器，按照现有的水平，今后5—10年内可望在地面和空中平台上部署使用，用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。
