六、激光(§17-6)

    1. 激光原理

    (1)  激光是受激辐射,因为只有在受激辐射的情况下,才能获得相干性好、强度高、振动方向相同和传播方向一致的单色激光光束。

    (2)  要发生光放大过程,就必须使受激辐射占优势,而要使受激辐射占优势,必须实现粒子数反转。粒子数反转状态是违背平衡态下玻尔兹曼分布规律的,是一种非平衡态。从教材中的公式(17-58)可以得到

                        < 0,

这就是说,这种非平衡态,相当于“负温度”下的平衡态,所以粒子数反转状态也称作负温度状态。

    (3)  要实现粒子数反转,要有两个条件,一是工作物质必须具有亚稳能级,二是外界必须向工作物质提供能量。

    为实现抽运过程,目前提供能量的主要方法有:

    a)  利用光辐射将工作物质的原子抽运到高能态,这称为光激励;

    b)  利用放电过程形成电子或离子与工作物质的原子发生非弹性碰撞,以传递能量,这种方法称为电激励;

    c)  向工作物质中注入高能电子或粒子,让它们与工作物质的原子发生非弹性碰撞,把后者激发到高能态,这称为粒子激励;

    d)  利用工作物质自身化学反应所产生的能量把原子激发到高能态,这种方法称为化学激励

    (4)  共振腔有两个作用:

    a)  粒子数反转为使受激辐射占优势提供了必要条件,而要实现受激辐射占优势,还必须在工作物质中形成足够强的辐射场,才能提高受激辐射的概率。处于粒子数反转的工作物质中有一部分原子要发生自发辐射,光子向各个方向发射,沿其他方向发射的光子都一去不复返,而沿腔的轴线方向发射的光子受到反射镜的往返反射,在工作物质中穿越,不断地引发受激辐射,从而使受激辐射的强度越来越强。这是光学共振腔的第一个作用。

    b)  使大家所选定频率的激光光波在共振腔内形成稳定的驻波,在部分反射镜M2处实现多光束相长干涉,从而输出激光。这就要求共振腔的长度满足教材中公式(17-61)所表示的共振条件。这是光学共振腔的第二个作用。

    2. 激光的应用*

    教材中已经结合激光的特点对激光的应用作了简要概述,这里对这些应用略加说明和说明。

    (1)  激光在计量学中的应用

    a)  长度基准的确定:在第17届国际计量大会上规定了用真空中的光速重新定义“米”时,也决定了用精确测量的激光频率通过基本常量c导出波长,从而复现长度单位“米”。

    b)  测长和测距:利用光的干涉可以精确测定长度和对装置进行定位,但是有效量程受到光的单色性的限制,也就是说,最大量程Lmax不可能超过光波的波列长度l0 (参阅§14-6),即

                          .

例如,用氦黄光测量,已知l = 587.6 nmDl = 0.0045 nm,根据上式算得最大量程为Lmax =7.7´10-2 m。如果用氦-氖激光器发出的红光测量,已知l = 632.8 nmDl = 2.0´10-9 nm,由上式算得最大量程为Lmax = 2.0´105 m。可见,利用激光,测量范围大大扩展了。

    大距离的测量可以用激光脉冲从发射到接收到反射波的时间求得,由于激光的亮度高、脉冲宽度窄,测量精度可以很高。如果利用激光的相位测距法进行测量,精度会更高。

    c)  测速:将激光束照射在运动物体上,测量反射波的多普勒频移,可精确测定物体的运动速度。

    (2)  激光在工业和工程上的应用

    a)  激光束的能量很高,又非常集中,可熔化金属和其他固体材料,因此可以用激光束对工件或材料进行加工,包括切割、焊接、打孔、雕刻和表面淬火处理等。

    b)  激光无损检测:利用激光束的干涉可以方便、快捷地对工件表面和内部的缺陷进行检测,而无须损坏工件。

    c)  激光准直导向:激光的亮度高、方向性好,是理想的天然准直线和导向指示线,它不会由于重力作用而弯曲,并可以通过光电系统作自动准直校正,准直精度高,手续简便。现已在飞机和船舶制造、大型设备安装、建筑和隧道工程中广泛使用。

    (3)  激光在信息处理中的应用

    计算机的光盘驱动器和光盘是大家都十分熟悉的,光盘驱动器用微细的激光束在光盘介质上存取信息,可以达到极高的记录密度。利用光纤通信传递的电话和电视信号,实际上已经进入了千家万户。

    激光出现之后才得以发展的全息照相,近十多年来得到了广泛应用。 

    (4)  激光在核技术中的应用

    a)  同位素分离技术在科学研究、国民经济建设和军事上都有重要价值。根据同位素光谱的同位素位移,利用激光将其中某种同位素原子激发或电离,然后再用物理的或化学的方法将这种同位素从混合物中分离出来。这种方法不仅分离系数高、浓缩度高、周期短、方法普适,并且能耗低。

    b)  受控热核反应的惯性约束就是利用高功率激光束作用于由氘-氚制成的靶丸,使氘、氚发生核聚变,同时释放出巨额核能量。关于激光惯性约束产生受控核聚变的有关内容,将在§19-5中讨论。

    (5)  激光在医学上的应用

    利用高强度激光束产生的热效应和生物效应可以治疗多种疾病,并且已经形成了一个新的医学分支¾¾激光医学。

    当激光束照射到生物组织时,可在极短时间内使之烧灼,所以激光束不但可以将组织切开,还会把组织中的血管烧结封闭起来,起到止血作用。同时,由于激光“刀”与手术部位不接触,因而是自身消毒的手术,所以特别适于处理感染性病变组织。

    利用激光束把生物组织细胞的水分蒸发和组织蛋白凝固,可以治疗视网膜脱落、皮肤粘膜血管病变和消化道出血病变等。

    根据激光的生物效应,用低功率激光束照射,可以消炎、消肿、镇痛和促进伤口愈合;还可用激光束代替银针进行针灸。

    (6)  激光武器

    战术激光武器用于伤害人眼和武器系统中的光电传感部分,制导炸弹、炮弹,以及打击战术导弹;目前尚处于试验阶段的战略激光武器则用于拦截和摧毁洲际弹道导弹、卫星和天基武器站等。

    (7)  激光在科学研究中的应用

    a)  在物理学中的应用:激光由于能量集中,当它与物质发生相互作用时,会产生许多新的光学现象,研究这些现象的性质和应用,形成了光学的一个新的分支¾非线性光学。非线性光学的研究渗透到原子分子物理、凝聚态物理和光学材料,不仅开拓了光学的研究领域,也促进了物理学的这些学科的发展。

    将激光引入光谱学,使光谱学发生了一次深刻的变革,形成了一门新的的学科 ¾ 激光光谱学。在线性激光光谱学方面,由于激光的高强度和单色性,使激光吸取光谱术、激光荧光光谱术、激光拉曼光谱测量以及激光光声光谱术都获得了突破性发展;在非线性激光光谱学方面,由于窄带可调谐激光器的出现,开辟了无多普勒增宽的高分辨率激光光谱学新领域,创建了无多普勒增宽的饱和光谱学和双光子光谱学。

    b)  在化学中的应用:除了用激光对化学样品进行定性、定量的光谱分析之外,还可以利用激光进行选择性激发以诱发各种光化学过程,如光致聚合、光致化学键断裂、光致离解以及光致同分异构化等。这在化学转换、药品制造和提纯等方面已经显示出广阔的应用前景。

    激光在化学中应用的另一个重要方面,是激光监测和控制定向化学反应。将激光引入化学反应区,选用适当的特征波长记录荧光光谱,或者由激光波长的快速扫描记录吸取光谱,可获得化学试剂、中间产物、终端产物以及正向和逆向反应速率比的实时信息,以便使化学反应向着大家希翼的方向进行。

    c)  在生命科学中的应用:激光辐射可以影响生命过程,激光光谱分析可以对生命过程的变异进行监测,所以,在生物学研究中激光越来越成为重要的研究手段。

    * 其中部分资料引自蔡枢、吴铭磊 编《大学物理(当代物理前沿专题部分)》,(高等教育出版社,1996.6. )

       
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