[激光原理与应用-15]：《激光原理与技术》-1- 什么是激光，激光概述

目录

第1章 什么是激光

1.1 什么是激光

1.2激光在生活中应用

第2章 激光的特点

2.1 方向性好（平行性、直线性）

2.2 单色性好（颜色纯度高）

2.3 相干性比太阳光好

2.4 亮度高

2.5 能量极大

第3章 光产生的方式与核心概念

3.1 自发辐射

3.2 受激接收

3.3 受激辐射

3.4 粒子数反转（population inversion）

第4章 激光的发展历史

4.1 关键节点

4.2 激光的大事

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第1章 什么是激光

1.1 什么是激光

激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。英文名Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是“通过受激辐射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。激光的原理早在 1916年已被著名的犹太裔物理学家爱因斯坦发现。

原子受激辐射的光，故名“激光”。（也就是说不是天然的光，而是通过物理手段产生的光）

激光中的“激”，是指电子受到激发，“光”是释放出来的光。

激光在某些地方或某些时候，称为“镭射”。

1.2激光在生活中应用

激光应用很广泛，有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器、LIF无损检测技术等等。

第2章 激光的特点

相对于普通的太阳光、灯光激光具备如下的特征

2.1 方向性好（平行性、直线性）

普通光源是向四面八方发光（发散）。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。

激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度（角度）极小，大约只有0.001弧度，接近平行。

1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑（光在目标系统中的直径）不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。

天文学家相信，外星人或许正使用闪烁的激光作为一种宇宙灯塔来尝试与地球进行联系。

激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。

2.2 单色性好（颜色纯度高）

光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。

太阳辐射出来的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。

发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。

单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含数十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。 

激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10^(-9)米级别，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。

自然光中包含了各种频率的光，是各种频率光的综合，其频谱宽度非常宽。

激光值包含了特定频率的光，激光的频谱宽度非常窄。

 

2.3 相干性比太阳光好

光的干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象。

两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象，证实了光具有波动性。

相干性比较好的根源在于激光的单色性好，即电磁波频率的单一性。

 

2.4 亮度高

亮度是指发光体光强与光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2）。与光照度不同的，由物理定义的客观的相应的量是光强。这两个量在一般的日常用语中往往被混淆。亮度也称明度，表示色彩的明暗程度。人眼所感受到的亮度是色彩反射或透射的光亮所决定的。

在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。

激光亮度极高的主要原因是定向发光，或者说是激光的方向性好（没有发散）。

大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。

激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。

发光强度

为一光源在给定方向上的发光强度，单位candela，即坎德拉，简称坎、cd。有人仍然用烛光来表示发光强度，那太老了，要知道1940年（又一说1948年）已经采用新烛光了，只不过“烛”=candle罢了。1968年以后烛光被废除。

光通量

光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量，单位流明，lm

光照度

1lm（流明）的光通量均匀分布在1㎡表面上所产生的光照度，单位勒克斯，lx

单位光源面积在法线方向上，单位立体角内所发出的光流，单位尼特，nt

备注：不用用肉眼直视激光！

2.5 能量极大

光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。

由此可知，频率越高，能量越高。波长越短，能量越高。

激光频率范围3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。

第3章 光产生的方式与核心概念

3.1 自发辐射

 自发辐射是在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级（激发态）向低能级（基态）跃迁，同时辐射出一个光子的过程。该过程也是我们日常生活中许多光源的辐射机理，像霓虹灯、荧光灯、LED等常见光源辐射本质上都属于自发辐射。

自发辐射中，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。

在没有外来作用的情况下，处于激发态的原子自发地向低能态或基态跃迁时辐射光子的现象。

一般光源的发光过程多属发光原子的自发辐射过程

量子力学体系的状态在外界作用下发生跳跃式变化的过程。原子在光的照射下从高（低）能级跳到低（高）能级的现象，就是一种量子跳跃过程。在不受光照的条件下，处于激发状态的原子在电磁场真空的作用下仍可跃迁到较低能级，称为自发跃迁。根据能量守恒定律，量子跃迁前后两状态的能量是不同的，放出或吸收一个光子，将有hv的能量差。量子跃迁是一种随机现象，具有明显的概率统计性。这是量子力学规律的根本特征。

根据能量守恒，辐射出去的能量来源于两个方面：

（1）物体自身的热量，随着辐射的过程，物体的温度要降低。

（2）其他能量的转换，如电能、生物能、其他热能等。

3.2 受激接收

受激吸收是处于低能级El的原子，受到外来光子的激励下，在满足能量恰好等于低、高两能级之差ΔE时，该原子就吸收这部分能量。

这为后续自发辐射或受激发射创造了条件。

3.3 受激辐射

受激辐射，即处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时，辐射光子的现象。此时，外来辐射的能量必须恰好是原子两能级的能量差。受激辐射发出的光子和外来光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态完全相同。这是与自发辐射从高能态向低能态跳转时发出的光子在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性是完全不同的。

受激辐射是产生激光的必要条件，如下图所示：

3.4 粒子数反转（population inversion）

粒子数反转是激光产生的前提。

两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关。在通常情况下，处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数，这种情况得不到激光。为了得到激光，就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目，因为E2上的原子多，发生受激辐射，使光增强（也叫做光放大）。为了达到这个目的，必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2，处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数。这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。

激光：原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。被引诱（激发）出来的光子束（激光），其中的光子光学特性高度一致。因此激光相比普通光源单色性、方向性好，亮度更高。

激光系统可分为连续波激光器和脉冲波激光器。

第4章 激光的发展历史

4.1 关键节点

（1）能量是一份份的

任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的性质。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。

为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体（black body），以此作为热辐射研究的标准物体。

黑体：在任何条件下，对任何波长的外来辐射完全吸收而无任何反射的物体，即吸收比为1的物体。所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射（当然黑体仍然要向外辐射）。

理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射，并将这些辐射转化为热辐射，其光谱特征仅与该黑体的温度有关，与黑体的材质无关。

 （2）光量子

 （3）能级与光子

 

 

4.2 激光的大事

1917年：爱因斯坦提出“受激发射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。

1953年：美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（英文首字母缩写maser）。

1957年：Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利，相关法律纠纷维持了近30年。

1960年：美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光。

1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。

1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。

1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。

1971年：激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。

1974年：第一个超市条形码扫描器出现。

1975年：IBM投放第一台商用激光打印机。

1978年：飞利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机，不过价格很高。

1982年：第一台紧凑碟片（CD）播放机出现，第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。

激光

1983年：里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器。

1988年：北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。

1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造。

1991年：第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。

1996年：东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器。

2008年：法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。

2010年：美国国家核安全管理局（NNSA）表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘（质量数2）和氚（质量数3），解决了核聚变的一个关键困难。

2011年3月，研究人员研制的一种牵引波激光器能够移动物体，未来有望能移动太空飞船。

2013年1月，科学家已经成功研制出可用于医学检测的牵引光束。

2014年6月5日美国航天局利用激光束把一段时长37秒、名为“你好，世界！”的高清视频，只用了3.5秒就成功传回，相当于传输速率达到每秒50兆，而传统技术下载需要至少10分钟。