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神奇之光——激光
时间 : 2015-12-31     

    激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Light amplification by stimulated emission of radiation取字头组合而成的专门名词。1964年,钱学森院士提议取名为“激光”,既反映了“受激辐射”的科学内涵,又表明它是一种很强烈的新光源,贴切、传神而又简洁,得到我国科学界的一致认同并沿用至今。

    1) 激光的理论基础

    1916年,爱因斯坦在玻尔工作的基础上于发表《关于辐射的量子理论》。文章提出了激光辐射理论,而这正是激光理论的核心基础。因此爱因斯坦被认为是激光理论之父。在这篇论文中,爱因斯坦区分了三种过程:受激吸收、自发辐射、受激辐射。自发辐射是指高能态的原子自发地辐射出光子并迁移至低能态,这种辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的,其过程全无外界的影响,彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差,方向散乱,而受激辐射则相反。受激辐射是指处于高能级的原子在光子的“刺激”或者“感应”下,跃迁到低能级,并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。这好比清晨公鸡打鸣,一个公鸡叫起来,其他的公鸡受到“刺激”也会发出同样的声音。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率,相同的方向,完全无法区分出两者的差异。这样,通过一次受激辐射,一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了,或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。

 

    2) 激光的特性

    从受激辐射的概念来看,激光与普通光源性质相差很多,也因为此激光被誉为神奇的光。

    (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,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比太阳光高出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。

 

激光

    (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。

    3) 激光的应用

    激光与生俱来的特点,使得在它诞生之初,有远见的科学家就对它的应用前景做了十分乐观的预测,人们从不同的方面研究试验了它的应用潜力。工业界拟把它发展成多功能的加工工具,信息业界期盼把它发展成新型传感器和通讯手段,医学界期待用它诊治疑难病症,军方试图研制“死光武器”,科学界指望它称为探索自然界的得力助手,能源界则打算研制激光驱动的核聚变能源。纵观激光应用的发展可以说是日新月异、层出不穷,在工业、信息、医学、能源界取得了辉煌的成就。激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮……激光已经渗透在人们生活的方方面面。