激光的产生原理及其特性生命科学院张清晨093210激光定义：受激辐射光（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）放大简称激光(laser).一、激光产生的原理1.原子能级的正常态分布波尔兹曼分布定律Nn=N0exp（-）Nn为处在能量为En能级的原子数、N0为原子总数、k为波尔兹曼常数、T为绝对温度.EnkT2.自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射:自发辐射的过程与外界作用无关，各个原于的辐射都是自发地、独立地进行的，因而各个光子的发射方向和初位相都不相同。此外，由于大量原子所处的激发态不尽相同，可以发出不同频率的光，这是普通光源发光机理。由此可见，自发辐射的光一般总不是单色光，而且不是相干光。受激辐射:处在激发态能级上的原子，若有一个外来光子趋近它，这原子就可能受了外来光子的“刺激”(或者称“感应”)，从高能级En向基态Em跃迁而辐射出光子，这个过程称做受激辐射，受激辐射产生的光子和外来光子有完全相同的特征，就是它们的频率、位相、振动方向和传播方向都相同,是特征完全相同的相干光.3.粒子数反转分布必须使光受激辐射占优势，就是要原子在能级上的分布一反常态，使处于高能级的原子数目远远多于低能级的原子数目，通常把这种分布叫做“粒子数反转分布”(inversedistributionofparticles)。工作物质的粒子数反转分布是产生激光的必要条件。•三能级系统•四能级系统4.光学谐振腔:“粒子数反转分布”仅仅是实现光放大的条件，要获得激光输出，还必须把光的放大转化为光的振荡。利用反馈的概念，把放大了的光反馈一部分回来进一步放大，即可产生振荡。这就需要一个光学谐振腔(Opticalresonancecavity)二、激光的特性1.方向性好——普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内（图8-9），这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。2.亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是103瓦／（厘米2.球面度），而一台大功率激光器的输出光亮度经太阳光高出7～14个数量级。这样，尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。3.单色性好——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。4.相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。激光的这一特性使全息照相成为现实。——所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。自1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器，我国也于1961年研制成功国产首台红宝石激光器以来，激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且激光应用领域不断拓展，并形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的“带头技术”之一。5.偏振性好、高电磁场强度。激光的应用•激光的方向性好。由于受嫩辐射的光子与外来光子的传播方向完垒相同，所以几乎是理想的平行光．其•发散角不大于1。一根掇细的激光束．在射出lkm基本上不发散．射出lOkm，光斑的直径也其有8．cm，射判距地•球3．8×10km的月球上，光斑的直径约为3km。•激光的单色性好．白光是复色光·其渡长从3900~．到7"tO0．~...
