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激光

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【概要描述】

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  相信激光这名词对大家来说一点也不陌生。在日常生活中,我们常常接触到激光,例如在课堂上我们所用的激光指示器,与及在计算机或音响组合中用来读取光盘资料的光驱等等。在工业上,激光常用于切割或微细加工。在军事上,激光被用来拦截导弹。科学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离,涉及的误差只有几厘米。激光的用途那么广泛,究竟它是如何产生的呢?以下我们将会阐释激光的基本原理。 激光的发展有很长的历史,它的原理早在 1917 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现,但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。

  激光英文名是 Laser,即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的缩写。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。但在阐释这个过程之前,我们必先了解物质的结构,与及光的辐射和吸收的原理。

  物质由原子组成。图一是一个碳原子的示意图。原子的中心是原子核,由质子和中子组成。质子带有正电荷,中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子,绕着原子核运动。有趣的是,电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们,这些电子会处于一些固定的「能阶」,不同的能阶对应于不同的电子能量。为了简单起见,我们可以如图一所示,把这些能阶想象成一些绕着原子核的轨道,距离原子核越远的轨道能量越高。此外,不同轨道最多可容纳的电子数目也不同,例如最低的轨道 (也是最近原子核的轨道) 最多只可容纳 2 个电子,较高的轨道则可容纳 8 个电子等等。事实上,这个过份简化了的模型并不是完全正确的 [1],但它足以说明激光的基本原理。

  电子可以透过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶。例如当电子吸收了一个光子 [2] 时,它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能阶 (图二 a)。同样地,一个位于高能阶的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能阶 (图二 b)。在这些过程中,电子吸收或释放的光子能量总是与这两能阶的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长,因此,吸收或释放的光具有固定的颜色。

  图二 原子内电子的跃迁过程

  当原子内所有电子处于可能的最低能阶时,整个原子的能量最低,我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时,我们称原子处于受激态。前面说过,电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种形式﹕

  1. 自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 (图二 a)。

  2. 自发辐射 - 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 (图二 b)。

  3. 受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶,并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相,此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子,最后就变成两个相同的光子 (图二 c)。

  激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。图三显示红宝石激光的原理。它由一枝闪光灯,激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体,当中有微量的铬原子。在开始时,闪光灯发出的光射入激光介质,使激光介质中的铬原子受到激发,最外层的电子跃迁到受激态。此时,有些电子会透过释放光子,回到较低的能阶。而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射,诱发更多的电子进行受激辐射,使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射,另一面镜子则会把大部分光子反射,并让其余小部分光子穿过﹔而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。

  产生激光还有一个巧妙之处,就是要实现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光为例 (图四),原子首先吸收能量,跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短,大约 秒后,它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留在亚稳态的时间很长,大约是 秒或更长的时间。电子长时间留在亚稳态,导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目,此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键,因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子,比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多,从而保证了介质内的光子可以增多,以输出激光。

  激光透过受激辐射产生,有以下三大特性 (图五)﹕

  1. 激光是单色的,在整个产生的机制中,只会产生一种波长的光。这与普通的光不同,例如阳光和灯光都是由多种波长的光合成的,接近白光。

  2. 激光是相干的,所有光子都有相同的相,相同的偏振,它们叠加起来便产生很大的强度。而在日常生活中所见的光,它们的相和偏振是随机的,相对于激光,这些光就弱得多了。

  3. 激光的光束很狭窄,并且十分集中,所以有很强的威力。相反,灯光分散向各个方向转播,所以强度很低。

  以能量划分,激光可大致可分为三类,第一类是低能量激光,这类激光通常以气体为激光介质,例如在超级市场中常用的条形码扫描仪,就是用氦气和氖气作为激光介质的;第二类是中能量激光,例如在课堂上用的激光指示器;最后一类为高能量激光,一般用半导体作为激光介质,输出的功率可高达 500 mW。用于热核聚变实验的激光可发射出时间极短但能量极高的激光脉冲,其脉冲功率竟可达 W!这激光可产生达一亿度的高温,引发微粒状的氘-氚燃料进行热核聚变。

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