激光器靠什么發(fā)射激光?

激光器

激光器廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品和技術(shù)。CD播放機、牙鉆、高速金屬切割機和測量系統(tǒng)中,都裝有激光器。那么,激光器究竟是什么?又是什么使得激光束不同于手電光束呢?

原子的基本知識

宇宙中自然生成的原子大概只有92種。我們看到的所有物體都是由這92種原子按照無限多的方式組合而成的。這些原子排列和組合的方式?jīng)Q定了它們形成的是一杯水塊金屬,還是一些從汽水里冒出的氣泡。

激光器

原子處于永恒的運動中,它們不斷地振動、移動和旋轉(zhuǎn)。即使是構(gòu)成坐椅的那些原子也處于不斷的運動中。原子可以處于不同的激發(fā)狀態(tài)。如果給原子提供大量的能量,它就會從基態(tài)能級上升為激發(fā)態(tài)能級。激發(fā)態(tài)能級的能級狀態(tài)取決于通過熱量、光或電的方式提供給原子的能量的多少。

最簡單的原子一般包含一個原子核,原子核中包含質(zhì)子、中子以及由在軌道上運動的電子形成的電子云。我們不妨這樣來想,在電子云中,電子繞著原子核在許多不同的軌道上轉(zhuǎn)動。盡管現(xiàn)代科學(xué)不認(rèn)為原子中的電子有各自單獨的軌道,但如果我們把這些軌道想象成原子的不同能級,就能更好地理解原子了。換句話說就是,如果我們把原子加熱,那些處于低能量軌道的電子可能就會躍遷至遠(yuǎn)離原子核的高能量軌道。

激光器

當(dāng)電子躍遷至高能量軌道后,最終還是要返回基態(tài)能級。當(dāng)電子返回基態(tài)能級后,它就會以光子(光的粒子)的形式釋放出能量。原子以光子形式釋放能量的現(xiàn)象隨處可見。舉例來說,烤箱中的加熱器會變成鮮艷的紅色,這是因為熱量激發(fā)原子釋放出紅色的光子,因此我們就會看到紅色的光。當(dāng)你觀看電視畫面時,你看到的其實是磷原子被高速運動的電子激發(fā)而發(fā)出的不同色彩的光。任何光源如熒光燈、汽燈、白熾燈,都是通過原子改變運動軌道、釋放光子的方式發(fā)光的。

激光器與原子的關(guān)系

激光器是一種用來控制被激發(fā)原子釋放光子的方式的器械。激光器一詞在英文里是一種縮寫,概括性地指出了激光器的工作方式。

激光和普通光比如燈光或陽光截然不同。激光有以下幾個特性

◇激光是單色光。激光只有一種特定的波長(一種特定的顏色)。激光的波長取決于電子回落到能量較低的軌遒時釋放出的能量的多少。

◇激光是連續(xù)的。激光是“有組織的”,每個光子都與其他光子同步運動。也就是說,所有光子的波陣面都會同步發(fā)射。

◇激光的方向性好。激光的光束密實、強烈而且集中,而手電筒發(fā)出的光則向各個方向散射。因此,與激光相比,手電筒發(fā)出的光非常暗淡而且分散。

激光器

激光器產(chǎn)生激光的方式可以解釋激光的這些特性。

盡管激光器的種類很多,但它們都具有一些共同的屬性。在激光器中,產(chǎn)生激光的介質(zhì)被“泵入”,使原子進(jìn)入激發(fā)狀態(tài)。通常,由極強的光束或電荷將產(chǎn)生激光的介質(zhì)泵入,形成一個由激發(fā)狀態(tài)的原子組成的原子群(這些原子都帶有高能量的電子)。要使激光器高效工作,必須有這樣一個處于激發(fā)狀態(tài)的原子組成的大原子群。一般來說,原子的能級會被提升到高于基態(tài)能級2級或3級的能級狀態(tài)。這樣,就會提高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)比是指處于激發(fā)狀態(tài)的電子數(shù)與處于基態(tài)能級的電子數(shù)之間的比率。

激光器

產(chǎn)生激光的介質(zhì)被泵入后,它就包含了一個原子群,原子群中的一些電子處于激發(fā)能級。被激發(fā)的電子比處于基態(tài)的電子能量要高。電子吸收了部分能量達(dá)到激發(fā)狀態(tài),同時它又將這部分能量以光子(光能)的形式釋放出來。釋放出的光子波長(顏色)取決于光子被釋放時電子的能量狀態(tài)。兩個同樣的原子,如果電子所處的狀態(tài)相同,就會釋放出同樣波長的光子。

激光器

激光的獨特屬性是由于受激輻射而形成的。在普通的手電筒中,不會發(fā)生受激輻射;在手電筒發(fā)出的光中,原子釋放光子是隨意而無序的。而在受激輻射中,光子的發(fā)射是有規(guī)律的。

對于一個由原子釋放出的光子來說,它的波長取決于激發(fā)狀態(tài)和基態(tài)之間的能量差。如果這個光子(含有一定的能量和位相)遇到另一個包含相同激發(fā)狀態(tài)電子的原子,就會發(fā)生受激輻射。第一個光子激發(fā)第二個原子,發(fā)射出光子,光子的振動頻率和方向與入射光子的頻率和方向完全一致。

激光器

激光器的另一個特別之處是,在產(chǎn)生激光的介質(zhì)兩端各有一個鏡子。具有特定波長和位相的光子在鏡子上發(fā)生反射,因而會在產(chǎn)生激光的介質(zhì)中間往復(fù)運動。在這一過程中,它們激發(fā)其他原子發(fā)射出光子。這樣就會發(fā)生連帶效應(yīng),很快就會出現(xiàn)許多具有相同波長和相的光子。

激光器

激光器兩端的鏡子是半面涂銀的,這就意味著這兩個鏡子只會反射部分光,同時日讓另一些光通過。通過的光就是激光。微光器的確令人驚嘆,它可以將不可思議的巨大能量集中到一個光點上。下一次當(dāng)你欣賞最喜愛的CD,或者端詳你朋友閃閃發(fā)光的訂婚鉆戒,或者去看牙醫(yī)的時候,你定會對這種用途廣泛、性能卓著的技術(shù)有一個全新的理解和認(rèn)識。