LASER -Laser Amplification by Stimulated Emission of Radiation-受激輻射放大光-激光-改變世界的光-20世紀對世界文明最有影響的發明之一-現代人日常生活不可或缺的一部分

摘要

激光不僅在已有的領域中為各種應用技術帶來了巨大的改善和提高，又開辟了一些新領域、新應用和新學科。激光作為一種科學技術其發展規律是從基礎理論研究到新技術的實現再到產品的成功開發最后到產業應用。本文介紹了激光的產生背景及其產生的基本原理，希望能給廣大激光研究人員和愛好者提供參考意見。

一、發展背景

激光器的發展歷程可以追溯到1917年愛因斯坦在量子理論的基礎上提出受激輻射的概念。20世紀50年代，當時科學家們開始嘗試利用激光放大器來放大微弱的光信號。接下來的幾十年中，激光技術得到了快速發展，并被應用于各種領域。 1960年，第一臺激光器被發明出來，這標志著激光技術的誕生。 隨著時間的推移，激光器的功率逐漸增強，應用領域也越來越廣泛，包括醫學、軍事、通訊、制造業等。1990年代以來，激光器技術進一步發展，出現了各種新型激光器，例如納秒激光器、飛秒激光器、半導體激光器等。現在，激光技術已成為現代科技和工業的重要組成部分，不斷推動著人類社會的進步。

二、激光器的分類及應用

激光器是一種能夠產生相干光的裝置，它具有高度的單色性、方向性和亮度。激光器的分類和應用非常廣泛，涉及到科研、工業、醫療、通信等領域。通常按照工作物質進行分類，以下是激光器的幾種主要分類及其應用：

1. 固體激光器 ：固體激光器使用固體晶體作為增益介質，例如Nd:YAG激光器和Nd:YVO4激光器。這類激光器在金屬切割、焊接、打標、激光雷達和激光指示器等領域具有廣泛的應用。
2. 氣體激光器 ：氣體激光器以氣體作為激發介質，如氬離子激光器、氫氧化碳激光器和氮氣激光器。應用領域包括激光雕刻、光譜分析、光源校準和大氣遙感等。
3. 液體激光器 ：液體激光器使用液體染料作為增益介質，例如染料激光器。染料激光器因其可調諧性和寬光譜輸出而在生物醫學成像、光譜學和光源研究領域具有重要應用。
4. 半導體激光器 ：半導體激光器，又稱激光二極管，是利用半導體材料產生激光的一種激光器。應用廣泛，如光纖通信、激光打印、光碟驅動器、激光指示器、激光干涉測量等。
5. 化學激光器 ：化學激光器是另一類特殊的氣體激光器，即是一類利用化學反應釋放的能量來實現工作粒子數布局反轉（簡稱粒子數反轉）的激光器。化學反應產生的原子或分子往往處于激發態，在特殊情況下，可能會有足夠數量的原子或分子被激發到某個特定的能級，形成粒子數反轉，以致出現受激發射而引起光放大作用。

三、激光器的組成及基本原理

激光器是一種光放大器，通過受激輻射產生相干光。激光器的基本原理是基于愛因斯坦的受激輻射理論。激光器的組成主要包括以下幾個部分：

1. 激活介質：激活介質是激光器的核心，可以是固體、液體、氣體或半導體材料。激活介質中的原子或分子能級在受到外部能量的激發后，形成高能量狀態，這些激發態的原子或分子可在受激輻射作用下向低能量狀態躍遷，同時放出光子。
2. 激發源：激發源是向激活介質提供能量的裝置，使其從低能量狀態躍遷到高能量狀態。激發源可以是光源（如閃光燈）、電源（如直流電源）或化學能源等。
3. 光學諧振腔：光學諧振腔由兩個反射鏡組成，一個是全反射鏡，另一個是部分透射鏡。光學諧振腔的作用是使光在激活介質中多次往返，增強光與激活介質的相互作用，從而實現光的放大。其中的輸出耦合器位于光學諧振腔的部分透射鏡一側，用于從諧振腔中提取激光輸出。部分透射鏡允許一部分光通過，從而形成有用的激光輸出。

激光器的工作原理可以概括為以下幾個步驟：

1. 激發：激發源向激活介質提供能量，使激活介質中的原子或分子由低能態躍遷到高能態。

2. 受激輻射：高能態的原子或分子在受到入射光子的作用下，向低能態躍遷，同時放出與入射光子具有相同能量、相同相位和相同傳播方向的光子。

3. 反射與放大：光學諧振腔使光在激活介質中多次往返，每次往返都會產生受激輻射，從而實現光的放大。

4. 輸出：當光的放大達到一定程度時，部分透射

四、激光的特性

激光器的光束具有高度的定向性和單色性。與其他光源不同，激光器的光束可以被聚焦到非常小的點上，因為光束非常集中且幾乎不擴散。此外，激光器的光束也具有相干性，這意味著光波的振動方向是高度一致的。這些特性使得激光器在科學研究、醫療和工業制造等領域中應用廣泛。