激光基础知识
听到激光这个词，大家可能有些害怕，因为它让人想起了星球大战中太空战士的利器，或者是手术台上医生的手术刀。但是，激光并不总是伤人的武器，它也存在于我们的日常生活中。比如说“镭射”（Laser），全息照片等都是激光技术在在现实中的应用，给我们的生活带来了极大的便利。激光原来和我们如此的接近！
激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emiion of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。
什么叫做“受激辐射”？它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
一个科学的理论从提出到实现，往往要经过一段艰难的道路。爱因斯坦提出的这个理论也是如此。它很长一段时间被搁置在抽屉里无人问津。
1950年，波尔多一所中学的教师阿尔弗雷德·卡斯特勒同让·布罗塞尔发明了“光泵激”技术。这一发明后来被用来发射激光，并使他在1966年获得了诺贝尔物理学奖。
激光器的发明实际上提出了更多的问题。它必须使反射谐振器适应极短的波长。1951年，美国哥伦比亚大学的一位教授查尔斯·汤斯（Townes）对微波的放大进行了研究，经过三年的努力，他成功地制造出了世界上第一个“微波激射器”，即“受激辐射的微波放大”的理论。汤斯在这项研究中花费了大量的资金，因此他的这项成果被人们起了个绰号叫做“钱泵”，说他的这项研究花了很多的钱。后来汤斯教授和他的学生阿瑟·肖洛（Schawlow，诺贝尔物理奖的获得者）想，既然我们已经成功地研究了微波的放大，就有可能把微波放大的技术应用于光波。1958年，汤斯和肖洛在《物理评论》杂志上发表了他们的“发明”——关于“受激辐射的光放大”（即LASER）的论文。但是在实际中建造激光器还有许多困难，人们对激光的性质和作用都还没有清楚的认识。于是汤斯教授和肖洛并没有在此基础上继续进行研究和实验，结果这项研究的成果被第三者利用了。这位第三者的名字叫西奥多·梅曼（Maiman）。
梅曼是美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员。在梅曼开始建造他的红宝石激光器之前，有人断言红宝石绝不是制造激光的好材料，而肖洛也支持这种观点。这使得很多人中止了用红宝石来制造激光的尝试，但梅曼却怀疑这个说法。为此，他花了一年的时间专门测量和研究红宝石的性质，终于发现上述论断所依据的基础是错误的，而红宝石确是制造激光器的好材料。从此他着手建造那个世界上第一台激光器。他的准备工作十分地详细完备，1960年7月，梅曼在加利福尼亚的休斯空军试验室进行了人造激光的第一次试验，当按钮按下时，第一束人造激光就产生了。这束仅持续了3亿分之一秒的红色激光标志着人类文明史上一个新时刻的来临。
这样，世界上第一台激光器——红宝石激光器--诞生了。它是一种固体激光器，它的激励系统是一支能突然爆发出强光的螺旋形闪光管，激光物质是一个插在螺旋管中间的4厘米长的圆柱形宝石棒，这种红宝石的主要成份是混有铬离子的氧化铝。在红宝石棒上缠有闪光玻璃管以便让晶体受光线照耀红宝石，经闪光管发出的光照射后，发出激光，通过光学谐振腔的加强和调节后，便射出一强有力的激光。
在梅曼成功之后不久，氦氖激光器也试验成功。这一系列的成功使实力雄厚的贝尔实验室也投入到激光器的研究之中，而其资金和人力资源又迅速推动着研究工作的进展。
自从1960年以来，激光家族有着迅猛的增长。现在有各种不同形状不同大小的各种各样的激光器，可以产生出不同功率、不同波长的激光。这些激光的范围包含从红外到紫外以至X射线的所有区域。
激光的发现大大鼓舞了光通信的研究工作，为科研工作者开创了意想不到的前景和研究领域，可以说没有激光的发明就不会有今天的光通信或光纤通信。
激光刚刚诞生不久就被人们称为“解决问题的工具”。科学家们一开始就意识到激光这种奇特的东西，将会像电力一样注定要成为这个时代最重要的技术因素。迄今为止，仅仅二十多年的初步应用，激光已经对我们的生活方式产生了重大影响。激光通信使我们在地球的每一个角落里都能准确迅速地进行信息交流；激光唱盘可以使我们渴望亲耳聆听世界名曲的现场演奏几近成真。总之，激光正实现着几年前还令人难以置信的技术奇迹。从工业生产到医学，从电讯通信到战争机器，科学和技术正运用激光来解决一个又一个的难题。
激光的特性
激光广泛应用的基础在于它的特性。激光单色性好，又可在一个狭小的方向内有集中的高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。这是令人惊奇的。红宝石激光器中输出脉冲的总能量煮不熟一个鸡蛋，但却能在3毫米的钢板上钻出一个孔。为什么激光这么神奇呢？关键不是光的能量，而在于其功率。激光的功率是很高的，这也是它多方面被应用的基础。
激光具有单色性、相干性和方向性三大特点。
（1）单色性好
我们知道，普通的白光有七种颜色，频率范围很宽。频率范围宽的光波在光纤中传输会引起很大的噪声，使通信距离很短，通信容量很小。而激光是一种单色光，频率范围极窄，发散角很小，只有几毫弧，激光束几乎就是一条直线。氦氖激光的谱线宽度，只有10-8nm，颜色非常纯。这种光波在光纤中传输产生的噪声很小，这就可以增加中继距离，扩大通信容量。现在已研究出单频激光器，这种激光器只有一个振荡频率。用这种激光器可以把十几万路的电话信息直接传送到100km以外。这种通信系统就可满足将来信息高速公路的需要了。
（2）相干性高
一个几十瓦的电灯泡，只能用作普通照明。如果把它的能量集中到1m直径的小球内，就可以得到很高的光功率密度，用这个能量能把钢板打穿。然而，普通光源的光是向四面八方发射的，光能无法高度集中。普通光源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱无章的，经过透镜后也不可能会聚在一点上。
激光与普通光相比则大不相同。因为它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来，送入光纤，这就叫相干性高。一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达1015w/cm2·sr，比太阳表面的亮度还高若干倍。
光纤通信用的半导体激光器的体积很小。和普通的晶体三极管差不多。它发出的光功率一般都不太大，通常只有几毫瓦。如果把它的能量高度集中，就很容易耦合进光纤。这对增加光纤通信的中继距离，提高通信质量是很有意义的。
（3）方向性强
激光的方向性比现在所有的其他光源都好得多，它几乎是一束平行线。如果把激光发射到月球上去，历经38.4万公里的路程后，也只有一个直径为2km左右的光斑。如果用的是探照灯，则绝大部分光早就在中途“开小差”了。
普通光源总是向四面八方发散的，这作为照明来说是必要的。但要把这种光集中到一点，则绝大多数能量都会被浪费掉，效率很低。半导体激光器发出的光绝大部分都很集中，很容易射入光纤端面。
光的本性
很久以来，人们对光就进行了各种各样的研究。光到底是什么东西呢？这个问题困扰了许多有才智之士。古希腊哲学家们认为光是高速运动的粒子流。凡是发光的物体，例如太阳，都能发出这样的粒子流。当这些微小的粒子流接触到眼睛上时，就引起了人们对光的感觉。
对于光的研究在以后很长的年代里没有进展，直到伟大的科学家牛顿，才开创了一个光学研究的新世纪。牛顿在他的工作室里，用三棱镜把白光分解为从红到紫的七种色光。这是人类第一次看到光的奥妙。白光并不是单一的，而是几种不同色光的复合。进一步的研究使牛顿提出著名的光微粒说：光是由极小的高速运动微粒组成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的质量最大，红光微粒的质量最小。利用这种学说牛顿解释了光的折射、反射和上面描述的色散现象。
微粒说合乎人们的日常直观心理要求。由于光是直线行进的，人们很容易相信光是粒子流。而且由于牛顿的巨大声望，微粒说一时独领风骚。但在牛顿的同时代人中亦有人大力批驳微粒说，荷兰人惠更斯(1629——1695)于1678年提出波动理论来解释光的本性。他认为光的微粒理论无法解释光线可以相互交叉通过而互不影响，但这却是波的基本性质。利用光的波动理论也很容易解释光的反射与折射现象。那么，到底光是波还是粒子呢?
到十九世纪初期，发现了光的干涉、绕射和偏振现象，这些行为只适合于光的波动理论解释。同时，若根据微粒理论，光在水中的传播速度要大于光在空气中的传播速度，而根据波动理论计算的结果则正好相反。在牛顿和惠更斯时期，人们还无法精确测量光速，因此无法用实验判定两理论的正误。但到了十九世纪，科技水平和实验技巧都大大发展，因此在1862年福科测得了光在水中的传播速度，证实了其小于光在空气中的传播速度。这时光的微粒说基本上是彻底被放弃了。到1863年麦克斯韦发表著名的电磁理论，揭示了光波其实是电磁波的一种，这时波动理论的最后的一个难题——传播媒质问题也被解决了。按照传统的机械波理论，光振动是在弹性媒质中的一种机械振动。由于光速极大，人们不得不臆造一种弹性极大但密度极小的媒质“以太”，作为光传播的媒质而散布在宇宙空间。可是，任何实验都测不到以太的存在，而假定它的存在却引起了许多麻烦。从而，“以太”成了波动理论之一大难题，是欲弃之而不能的“鸡肋”。但麦克斯韦的理论告诉我们，电磁波的传播不需要媒质。变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场。这样，变化电磁场的交替产生就构成了电磁波由近及远的传播。因此，如果我们把光视为一种电磁波，则“以太”难题就迎刃而解了，因为根本就不需要它，丢掉这块“鸡肋”一切就解决了。
麦克斯韦理论完美地解释了当时已知的所有光学现象。但从十九世纪末起，却发现了一系列令人困惑的新的实验结果。这些结果共同的特点是，他们无法用麦克斯韦理论来解释。其中最典型的是光电效应实验。
光电效应是由赫兹（H.R.Hertz，1857一1894）在1887年发现的。研究光电效应的装置是在一个抽成高真空的玻璃小球内，内表面上涂有感光层(阴极K)，阳极A可做成直线状或圆环形。当单色光通过石英窗口照射到阴极K上时，有电子从阴极逸出，这种电子叫作光电子。如果在A、K两端加上电势差U，则光电子在加速电场的作用下飞向阳极，形成回路中的光电流。光电流的强弱由电流计读出。像这种金属受到光的照射而放出电子的现象就称为光电效应。
光电效应实验使传统的光学理论受到严峻考验。伟大的爱因斯坦于1905年提出光量子说来解释该实验。想法是革命性的，即认为光是一束束以光速运动的粒子流，每一个光粒子都携带着 3 一份能量。光量子说受到普朗克量子说的很大影响。普朗克在解释黑体辐射问题时认为光在发射和吸收过程中具有粒子性。爱因斯坦则进一步认为光在传播过程中也具有粒子性。
光一方面具有波动的性质，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性质，如光电效应等。这两方面的综合说明光不是单纯的波，也不是单纯的粒子，而是具有波粒二象性的物质。这是认识上的不断加深而得到的结论。应该注意这也还不是最后的答案。对于光的本性，虽然经过这么多年的探索，我们所知道的也的确是太少了。光到底是什么?是在某一时刻表现为粒子，而在另一时刻表现为波?还是完全不同于我们现在所知的某种物质?这些问题也是当今的科学家们在苦苦思索的问题。
激光的理论基础
直到二十世纪初，人们才在实验的基础上揭开了原子结构的奥秘。原子结构像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停地旋转，同时也不停地自转。原子核集中了原子的绝大部分质量，但却只占有很小的空间。原子核带正电，电子带负电，一般原子核与电子所携带的正负电荷数量相等，因此对外呈中性。电子绕核旋转具有一定的动能，同时负电荷的电子与正电荷的原子核之间存在着一定的位能。所有电子的动能与位能之和就是整个原子的能量，称为原子的内能。
这种原子模型是1911年由英国科学家卢瑟福提出的。紧接着，1913年，丹麦物理学家玻尔提出了原子只能处于由不连续能级表征的一系列状态——定态上，这与宏观世界中的情况大不相同。人造卫星绕地球旋转时，可以位于任意的轨道上，也就是说可具有任意的连续变化的能量。而电子在绕核运动时，却只能处于某些特定的轨道上。从而原子的内能不能连续的改变，而是一级一级分开的，这样的级就称为原子的能级。
不同的原子具有不同的能级结构。一个原子中最低的能级称为基态，其余的称为高能态，或激发态。原子从高能态E2过渡到低能态E1时，会向外发射某个频率为ν的辐射，满足普朗克公式：
hv = E1 - E2
式中h为普朗克常数。反之，该原子吸收频率为ν的辐射时，就会从低能态E1过渡到高能态E2。
爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《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。前两个概念是已为人所知的。受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态；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。它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。
爱因斯坦的理论在当初只是为了解决黑体辐射问题而提出的假设。但是几十年后却成了打开激光宝库的金钥匙。
那么，激光是怎样产生的？在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸 4 收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。
如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的光子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。若位于高能级的原子远远多于位于低能级的原子，我们就得到被高度放大的光。但是，在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布率。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。
所谓非热平衡体系，是指热运动并没有达到平衡、整个体系不存在一个恒定温度的原子体系。这种体系的原子数目按能级的分布不服从玻尔兹曼分布率，位于高能级上的原子数目有可能大于位于低能级上的原子数目。这种状态称为“粒子数反转”。如何才能达到粒子数反转状态呢?这需要利用激活媒质。所谓激活媒质(也称为放大媒质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体，也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。
在现代的激光器中，第一台激光器红宝石激光器是三能级系统，也有一些激光器采用了四能级系统，如钕玻璃激光器。
产生激光的5个条件
激光在英文中是Light Amplification by Stimulated Emiion of Radiation，意思是受激辐射的光放大。可见，受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。
如果让这些受激光子一个一个地发射出来，是不能形成强大的能量的。一般的，电子被激发到高能级后，在高能级上停留的时间是短暂的。而有些物质的电子处于第二能级E2的时间较长，仅次于基态能级E1。这个能级就叫做亚稳能级。要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级。这是产生激光的第二个条件。
外来的光子能激发出光子，产生受激辐射，但也可能被低能级所吸收。在激光工作物质中，受激辐射和受激吸收这两个过程都同时存在。在常温下，吸收多于发射。选择适当的物质，使其在亚能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子数反转，使受激发射多于吸收。这是产生激光的第三个条件。
激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个振荡腔。这是产生激光的第四个条件。通信所用的半导体激光器就是利用半导体前后两个端面与空气之间的折射率不同，形成反射镜而组成振荡腔的。
这些晶体和谐振腔都会使光子产生损耗。只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，才能有放大作用，这是产生激光的第五个条件。
激光器的结构
激光器一般包括三个部分
1、激光工作介质
激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。
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2、激励源
为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
3、谐振腔
有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。
下面以红宝石激光器为例来说明激光的形成。工作物质是一根红宝石棒。红宝石是掺入少许3价铬离子的三氧化二铝晶体。实际是掺入质量比约为0.05%的氧化铬。由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石呈粉红色。1960年梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径0.8cm、长约8cm的圆棒。两端面是一对平行平面镜，一端镀上全反射膜，一端有10%的透射率，可让激光透出。
红宝石激光器中，用高压氙灯作“泵浦”，利用氙灯所发出的强光激发铬离子到达激发态E3，被抽运到E3上的电子很快（～10－8s）通过无辐射跃迁到E2。E2是亚稳态能级，E2到E1的自发辐射几率很小，寿命长达10-3s，即允许粒子停留较长时间。于是，粒子就在E2上积聚起来，实现E2和E1两能级上的粒子数反转。从E2到E1受激发射的波长是694.3nm的红色激光。由脉冲氙灯得到的是脉冲激光，每一个光脉冲的持续时间不到1ms，每个光脉冲能量在10J以上；也就是说，每个脉冲激光的功率可超过10kW的数量级。注意到上述铬离子从激发到发出激光的过程中涉及到三条能级，故称为三能级系统。由于在三能级系统中，下能级E1是基态，通常情况下积聚大量原子，所以要达到粒子数反转，要有相当强的激励才行。
激光器的种类
对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和光纤激光器。另外，根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大，还可以按发光的频率和发光功率大小分类。
1、固体激光器
一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器（如我公司的JK125P系列激光器），它发射1060nm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达10KW。
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2、气体激光器
气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的有点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一种。
3、液体激光器
常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。
4、半导体激光器
半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。
5、光纤激光器
光纤激光器大多用半导体激光器泵浦，因此它实质上是一个将某一波长的泵浦光转化为另一波长的激光的波长转化器，但其激光光束质量大大优于半导体激光器。光纤激光器可用于光通信、光传感、激光加工、激光医疗和激光印刷等领域。在众多的掺杂光纤激光器家族中，由于掺铒光纤激光器的激射波长位于光通信的1550nm低损耗窗口，双包层掺铒光纤激光器能得到高功率，倍受人们重视。今年6月，GSI集团将在德国慕尼黑的激光展览会上推出自己的光纤激光器，并开始正式投入批量生产。
