什么是激光器？激光器的組成

激光是20世紀(jì)以來繼核能、電腦、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。1960年的5月16日，美國物理學(xué)家梅曼發(fā)明了世界首臺激光器。人類第一次有了如此單色性好、高準(zhǔn)直、高能量密度的神奇光源。自1960年第一臺激光器發(fā)明以來，激光已經(jīng)在通信、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、軍事武器等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，成為了一種跨學(xué)科的通用技術(shù)，對諸多領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了巨大作用，也促進(jìn)了社會生產(chǎn)效率的提高。那么，究竟什么是激光?它又是如何產(chǎn)生的呢?

什么是激光?

激光(英文名：laser)是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的縮寫，意為由受激輻射引起的光放大。1964年，當(dāng)這個技術(shù)傳到中國時，錢學(xué)森先生為它定了這個名字。在民間它還有一個頗為霸氣的譯音名字“鐳射”。在了解激光之前，我們先來看看什么是光?

光是由光子產(chǎn)生的，1905年，愛因斯坦在他關(guān)于光電效應(yīng)的論文中首先提到光子的概念。**光子是組成物質(zhì)的基本粒子之一。光子非常小，靜止時沒有質(zhì)量。根據(jù)量子力學(xué)的原理，當(dāng)電子從勢能較高的外層跌入勢能較低的內(nèi)層時，相應(yīng)的原子核會釋放出光子，從而產(chǎn)生光。**跌落的層數(shù)越多，光子的能量越大。這一過程是可逆的，當(dāng)光子射入時，原子核會吸入光子，而電子則因?yàn)楂@得了能量，從勢能較低的內(nèi)層遷移到勢能較高的外層。

光的吸收與產(chǎn)生

激光的特點(diǎn)在于它所有的光子都以同樣的波長、同樣的相位一起運(yùn)動。在一個原子體系中，電子基本上是分層運(yùn)動的，當(dāng)原子會受到外界環(huán)境的影響，高能級電子躍遷到低能級時會有“自發(fā)輻射”和“受激輻射”這兩種表現(xiàn)。激光就是通過受激輻射產(chǎn)生的，簡單來說激光就是在特定的“泵浦源”的作用下，物體的原子被“激發(fā)”出來的“光輻射”。

什么是激光器?

激光器是激光的發(fā)生裝置，主要由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔等組成。泵浦源為激光器的激發(fā)源，它將能量提供給低能級的電子，使其激發(fā)為高能級的電子，常見的有光學(xué)激勵、氣體放電激勵、化學(xué)激勵、核能激勵等;諧振腔為泵浦光源與增益介質(zhì)之間的回路，通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成，使受激發(fā)的光在腔內(nèi)多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩得到放大，并限制光束的頻率和方向;增益介質(zhì)則是指可將光放大的工作媒介。

激光器的組成

自1917年愛因斯坦提出受激輻射以來，科學(xué)家們歷經(jīng)了43年的不懈探索，才終于在1960年制造出了世界上第一臺激光器。來自美國加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼利用一個高強(qiáng)閃光燈管，來照射紅寶石，使紅寶石中的鉻原子受到激發(fā)，發(fā)出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個孔，使紅光可以從這個孔溢出，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時，可使其達(dá)到比太陽表面還高的溫度。于是世界上第一臺激光器——紅寶石激光器問世了，它的波長為0.6943微米，這是人類有史以來獲得的第一束激光。

梅曼和紅寶石激光器

激光在各個領(lǐng)域的應(yīng)用

01醫(yī)療領(lǐng)域

飛秒激光是一種以脈沖形式發(fā)射的激光，持續(xù)時間只有幾個飛秒(1飛秒=千萬億分之一秒)，是人類在實(shí)驗(yàn)條件下所能獲得的最短脈沖。飛秒激光被用于眼科手術(shù)，被譽(yù)為繼波前像差技術(shù)之后“屈光手術(shù)的又一次革命”。

飛秒激光治療近視

激光還能用來美容，通過將特定波長的激光光束透過表皮和真皮層，破壞色素細(xì)胞和色素顆粒，碎片經(jīng)由體內(nèi)的巨噬細(xì)胞處理吸收，達(dá)到安全不留疤痕，高效地實(shí)現(xiàn)美白的目的。

02軍事領(lǐng)域

激光在科技、軍事上的應(yīng)用也有很多。如激光光譜、激光雷達(dá)、激光武器(遠(yuǎn)程擊毀導(dǎo)彈)等等。激光武器具有攻擊速度快、轉(zhuǎn)向靈活、可實(shí)現(xiàn)精確打擊、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，但也存在易受天氣和環(huán)境影響等弱點(diǎn)。目前，低能激光武器已經(jīng)投入使用，主要用于干擾和致盲較近距離的光電傳感器，以及攻擊人眼和一些增強(qiáng)型觀測設(shè)備;高能激光武器主要采用化學(xué)激光器。

軍用激光制導(dǎo)

另外，早在我國引用飛秒激光之前，英美等發(fā)達(dá)國家早已在海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和戰(zhàn)機(jī)飛行員中開展飛秒制瓣的激光手術(shù)，那些特種士兵優(yōu)先接受這種手術(shù)，不僅能提高夜視力，還能使成像能力更加精細(xì)。

來源：力學(xué)科普

審核編輯：湯梓紅