激光的产生背景及其产生的基本原理

LASER -Laser Amplification by Stimulated Emission of Radiation-受激辐射放大光-激光-改变世界的光-20世纪对世界文明最有影响的发明之一-现代人日常生活不可或缺的一部分

摘要

激光不仅在已有的领域中为各种应用技术带来了巨大的改善和提高，又开辟了一些新领域、新应用和新学科。激光作为一种科学技术其发展规律是从基础理论研究到新技术的实现再到产品的成功开发最后到产业应用。本文介绍了激光的产生背景及其产生的基本原理，希望能给广大激光研究人员和爱好者提供参考意见。

一、发展背景

激光器的发展历程可以追溯到1917年爱因斯坦在量子理论的基础上提出受激辐射的概念。20世纪50年代，当时科学家们开始尝试利用激光放大器来放大微弱的光信号。接下来的几十年中，激光技术得到了快速发展，并被应用于各种领域。 1960年，第一台激光器被发明出来，这标志着激光技术的诞生。 随着时间的推移，激光器的功率逐渐增强，应用领域也越来越广泛，包括医学、军事、通讯、制造业等。1990年代以来，激光器技术进一步发展，出现了各种新型激光器，例如纳秒激光器、飞秒激光器、半导体激光器等。现在，激光技术已成为现代科技和工业的重要组成部分，不断推动着人类社会的进步。

二、激光器的分类及应用

激光器是一种能够产生相干光的装置，它具有高度的单色性、方向性和亮度。激光器的分类和应用非常广泛，涉及到科研、工业、医疗、通信等领域。通常按照工作物质进行分类，以下是激光器的几种主要分类及其应用：

1. 固体激光器 ：固体激光器使用固体晶体作为增益介质，例如Nd:YAG激光器和Nd:YVO4激光器。这类激光器在金属切割、焊接、打标、激光雷达和激光指示器等领域具有广泛的应用。
2. 气体激光器 ：气体激光器以气体作为激发介质，如氩离子激光器、氢氧化碳激光器和氮气激光器。应用领域包括激光雕刻、光谱分析、光源校准和大气遥感等。
3. 液体激光器 ：液体激光器使用液体染料作为增益介质，例如染料激光器。染料激光器因其可调谐性和宽光谱输出而在生物医学成像、光谱学和光源研究领域具有重要应用。
4. 半导体激光器 ：半导体激光器，又称激光二极管，是利用半导体材料产生激光的一种激光器。应用广泛，如光纤通信、激光打印、光碟驱动器、激光指示器、激光干涉测量等。
5. 化学激光器 ：化学激光器是另一类特殊的气体激光器，即是一类利用化学反应释放的能量来实现工作粒子数布局反转（简称粒子数反转）的激光器。化学反应产生的原子或分子往往处于激发态，在特殊情况下，可能会有足够数量的原子或分子被激发到某个特定的能级，形成粒子数反转，以致出现受激发射而引起光放大作用。

三、激光器的组成及基本原理

激光器是一种光放大器，通过受激辐射产生相干光。激光器的基本原理是基于爱因斯坦的受激辐射理论。激光器的组成主要包括以下几个部分：

1. 激活介质：激活介质是激光器的核心，可以是固体、液体、气体或半导体材料。激活介质中的原子或分子能级在受到外部能量的激发后，形成高能量状态，这些激发态的原子或分子可在受激辐射作用下向低能量状态跃迁，同时放出光子。
2. 激发源：激发源是向激活介质提供能量的装置，使其从低能量状态跃迁到高能量状态。激发源可以是光源（如闪光灯）、电源（如直流电源）或化学能源等。
3. 光学谐振腔：光学谐振腔由两个反射镜组成，一个是全反射镜，另一个是部分透射镜。光学谐振腔的作用是使光在激活介质中多次往返，增强光与激活介质的相互作用，从而实现光的放大。其中的输出耦合器位于光学谐振腔的部分透射镜一侧，用于从谐振腔中提取激光输出。部分透射镜允许一部分光通过，从而形成有用的激光输出。

激光器的工作原理可以概括为以下几个步骤：

1. 激发：激发源向激活介质提供能量，使激活介质中的原子或分子由低能态跃迁到高能态。

2. 受激辐射：高能态的原子或分子在受到入射光子的作用下，向低能态跃迁，同时放出与入射光子具有相同能量、相同相位和相同传播方向的光子。

3. 反射与放大：光学谐振腔使光在激活介质中多次往返，每次往返都会产生受激辐射，从而实现光的放大。

4. 输出：当光的放大达到一定程度时，部分透射

四、激光的特性

激光器的光束具有高度的定向性和单色性。与其他光源不同，激光器的光束可以被聚焦到非常小的点上，因为光束非常集中且几乎不扩散。此外，激光器的光束也具有相干性，这意味着光波的振动方向是高度一致的。这些特性使得激光器在科学研究、医疗和工业制造等领域中应用广泛。