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激光是什么?激光的原理是什么?

  2020-08-13         Chris         8824

普通光是自发辐射,而激光是受激辐射。普通电灯发出的光通常是自发辐射。在最简单的白炽灯里

     普通光是自发辐射,而激光是受激辐射。普通电灯发出的光通常是自发辐射。例如,在最简单的白炽灯中,首先将电流施加到灯丝上,然后灯丝被加热。此时,灯丝原子的外层电子吸收热量,并从较低的能级跃迁到较高的能级。自发辐射的特点是每个光子之间是相互独立的,没有规则,所以光从普通到四面八方,和辐射的频率不确定,比如发白光的荧光灯含有七种单色光,白炽灯的黄灯不是真正的单色光,但包含一定的频谱宽度。

   


  激光不同于普通光源的原因是它的发光机理是受激辐射。在介绍受激辐射之前,让我们先看看激光这个名字的由来。你可能知道Laser的英文名字,“Laser”是英文单词Laser的音译。这个词并不是凭空而来的,而是由首字母缩略词“辐射受刺激发射光放大”(Light Amplification by stimulation Emission of Radiation)衍生而来,意为“辐射受刺激发射光放大”。

自发辐射(左)和受激辐射(右)

 图中的两条水平线E2和E1表示电子的能级。能级越高,电子的能级就越高。在左边,电子的自发发射从高能量跃迁到低能量,同时辐射出一个光子,其能量等于两个能级之间的能量差。受激辐射是在一个外部光子的作用下发射一个相同光子的过程,称为受激辐射。这里,h是光子的能量,h是普朗克常数,可以不受影响,nu是光的频率,它直接决定了我们看到的光的颜色,每个频率对应着一种特定的颜色

   


  激光产生的原理是受激发射,实际上非常简单。爱因斯坦早在1916年就提出了这个理论。但制造出稳定的激光器却花了44年。激光器有三个主要元素:工作物质、抽运源(或激发源)、谐振器。“重要工作”是发光的东西,相当于一个灯丝(在第一个激光工作物质是红宝石);泵源,简单地理解为电源,连续泵工作材料的电子从低水平向高水平通过电气化,激光的能量提供者。谐振腔实际上是两面镜子。自发发射的光子向四面八方发射,大部分逃逸,垂直发射的光子被反射回来,受激发射和放大的过程就是谐振腔的“自然选择”过程。左边的镜子完全反射,右边的镜子可以通过一部分,反射部分,通过这一部分成为激光输出,反射那一部分作为投资资金继续扩大,最终形成连续稳定的激光输出。请注意,如果谐振腔由两面镜子组成,则称为平腔;它也可能由一面平面镜和一面凹面镜组成,称为平腔。

对于高功率激光器来说,它不是像激光笔那样可以继续发光,而是脉冲型的:首先让激光器在谐振腔中不断振荡放大,没有输出;等到积累到一定的能量,然后全部释放。这种激光脉冲输出不仅能量高,而且脉冲持续时间很短,可以达到飞秒量级(10-15秒),也就是说,在如此短的时间内,所有的光都被释放出来,因此具有极高的峰值功率,所以这种激光器通常被称为超高速激光器。 



 

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