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1、激光原理和应用激光技术是本世纪六十年代初兴起的一门新科学技术。它是在现代无 线 电 电子学、光学、原子物理学等许多学科的大量实践和理论发展的基础上产生的。而且反过来又与各种学科、工业和国防技术的应用发生着日益密切的联系。由于激光具有奇特的性质,在六十年代一经问世,首先在军事上得到迅速发展和应用,如测距、雷达、制导、通讯等。现在,在工业、农业、宇宙空间技术、地质、气象、计算技术等各方面 都得到 了广 泛的应用。随着我国社会主义建设和 国 防工业建设的 不断发展,激光技术的研究和应用也正在迅速的展开。一、什么是 激光大家知道,. 光和我们生活的关系十分密切,必须靠光作用到我们的眼睛,才能看见东西,
2、这是普通光。如太阳、电灯 等 发l且的光。普通光源都是向所有的方向发光,虽然光强可能会随方向而变化,但除非采取特别的方法,一般是不能得到在某一方向指向性优越的光。光和无线 电波一样是电磁波,以每秒大约3 0万公里的速度直线传播。光波在空间的传播犹如水面上的水波向前传播一样。人们眼睛所能看见的光波长大约390 0埃到了600埃。实验事实说明光不但 具有 波动性,还具有粒子性,即光又是永远运动着的微粒子,这种微粒子在光学 中叫做光子。普通光源的发光机理是这样的:组成光源的物质原子总是在永不停息 的运动中,特定的原子的能量只能取特定的某些分立值一能级,原子在通常情况下处在最稳定状态即能级最低的状态(
3、称 为旅态,而能量较高的状态称为激发态 )。当原子从能量较高的状态跃迁到能量较低的状态时,将能量差以光的形式放出。这个发光过程叫做自发辐谊寸。还有 这样的发射:如霓红灯是在一定形状的玻璃管内,充人低压惰 性气体,在电极间加以高压,使之放电,激发气体原子。被激发的 原子,跃迁回能量较低的状态时便发出许多频率即许多颜色的光。这种 发光现象也叫做自发辐射。在 自发辐射中,每一个发光的原子都是独立的 发光体,他们彼此之 间互无联系,因而它 们的 发光 是杂乱不齐的。与此相对,若用光照射激发态原子,激发态原 子会跃 迁到低能级上,同时放出光子,这个光子与激发它的尤子完全一样,这叫受激发射。通过受激发射,
4、一个光子变成两个一模一样的光子,光得到 了放大( 图1)。然而,在通常 情况下,还存 在着低能 级上的原 子吸收光子跃迁到高能级的过程,即光的吸收过程,光的吸收过程使光减弱。而且吸收过程 总是占优势,所以在寻常的实验工作中总是观察到吸收现象,而观察不到 受激发射现象。要想实现受激辐射得到光放大,必须使处于高能级的原子数目超 过处于低能级上的原子数目,即粒子数 反转。若有足够的能量的光子影响可产生原子 的受激辐射,这样一个人射光子 可产生二个一模一样的光子,又在这 两个光子影响下产生四个,然后四个变八个,八个变十六个 从而产生光的雪崩放大,如果这个放大能够持续下去,我们就可获得受激辐射产生的光一
5、激光。人射波受激发射图1通 过受激发射,光放大示意是激光器的简单工作原理(图2)。出射波从激光产生的物理过程可知,激 光是物质原子受激发光,而普通光是物质原 子自激发光,从本质上讲他们都是从高能态跃迁到低能态时的原子发光,因此具有光的共同特点,但激光的产生具有一些特殊条件,故它又有自己的特点。二、激光器 的工作原理由上述激光产生的物理过程可以看到,为使大量原子集团产生受激发光,必须具备一些特殊条件。正如电子振荡电路一样,当用某种方法产生 的振荡受电 阻等影响而衰减时,为使振荡继续产生,必须从电源补充能量或者从输出端反馈一部分功率以维持振荡继续下去。受激发光产生的特殊条件概括起来有 以下三个:激
6、励能源、工作物质、谐振腔。这三方面构成一 个激光器。前面谈到 由外界输人能源通过激励能使粒子数反转,这就创造了受激辐射的前提。但还必须 选取合适的工作物 质,这些 物质具有 在外界强激励下容易实现粒子数反转的特点。工作物质原 子受到激励时,有些处于激发态 的原子会自发地发射出光子来,一他们的发射方向可以 是任意 的。可是当这样的工作物质处于由两个反射镜构成的谐振腔中时,情况 就不 一样了。这时凡是不沿谐振腔轴的方 向的光子,很快地通 过谐振腔的透明的侧面逸 出腔外,与腔里的原子不再有什么接触了。但是沿轴线方向的光子可以在腔里继续前进,并经过两个反射面的 反射不断地往返运行,他 们每次经过工作物
7、质,都由于受激发射而得到放大,因而光 变得越 来越强。若将两面反射镜中一面作成全反射的,另一面作成半 反射的,则 当光每次到达半反射镜时,其 中一部分被反射回去,另一部分透过反射镜输出。当工作物质对光的放大作用能够抵消输出和其他损耗时,在谐振腔内就保持一定 的光强,同时又不断输出激光。这就图2激光振荡器从谐振腔的反 馈放大的过程中可以看出,激光光束只能沿着谐振腔的轴向传播,因 为所有受激发射的光子都是同 一方向,所以激光光束具有很高的方向性。从谐振腔的反馈放大过程还可以看出,在谐振 腔 里,在任何一个方向传播的光都包含着 多个不 同频率的光,可能的方向是很多的,因之频率的数目也就很多。然而由于
8、只有沿着谐振腔轴 线方向的光才可以形成激光,因此腔里振 荡的频率数目就大大减少了,只能有 几个振荡的频率存在,故激光有极好的单色性。如果采用特种技术,还可以得到单一频率的激光。由于激光光束有高 度的方向性和单色性,能量很集中,故具有高亮度的特点。大功率激光器的亮 度 比太阳表面的亮度大百万倍到亿万倍。在实际应用中用透镜把激光聚焦,在焦 点处的 温度也大大超过太阳表面的温度,以致可以熔化任何耐高温的材料。三、几种激光器激光器的种类很多,从196 0年第一台红宝石激光器出现至今已发现数百种材料可以用来制造激光器。根据所用材料的不同在现阶段可以把激光器分为四类。应用气体材料所制成的激光器叫气体激光器
9、。它用多种气体 原子、离子、金属蒸汽、气体分子作为工作物质,在充以 气体的放电管内封入两个电极,通过气体放电 的方式激励工作物质。这类激光器在工业与科学研究中应用得最为广泛。气体激光器产生的激 光相干性很高,频率稳定。如氦一氖激光器和二 氧化碳激光器( 图3)。氦一氖激 光器 是原子气体 激光器,连续田27Co:橄光器图3He一Ne激光器(左)和CoZ激光器(右)示意工作,寿命可达50 00小时以上。工作物质为氦氖混合气体,放电管为内径几个毫米的水晶管,长度 由几厘米到几十厘 米不等。管越一长,输出激光功率就越高。两个球面反射镜镀有多层介质膜,其中一个是全反射的,反射率为 1 00%,另一个为
10、部分反射,反射率为9 8%。布鲁斯特窗乃是消减激光的反射损耗、增强激光 的输出功率的一种 装置,它是一精心磨制 的光洁度很高的水晶片。输出激光波长为63 28埃。二氧化碳激光器是效率很高的 一种激光器,通常获得几百瓦的激光功率是不 困难的。水晶放电管的直径可以从1 0 毫米 到4 0毫米。管长为1米或更长。球面反射镜上镀以金膜。输出激光波长为1 0.6微米。为 了提高连续气体激光器的平均功率,还制成了气体动力激光器,让工作物质二氧化碳等通过喷嘴高速度喷出,用这个方法使气体均匀激励,最大连续输出功率可达几十万瓦或更多。目前,固体激光器的主要品种有红宝石激光器、掺钱的忆铝石榴石激光器、掺钱的玻璃激
11、光器等。他们的工作方式可以是连续的也可以是脉冲 的。他们的特点是输出激光功率很高,体积可以做得很小而坚 固。但他们的 相干性和频率稳定性都不如气体激光器好。红宝石激光器结构示意如图4。红宝石是掺入铬离子的氧化铝晶体,发射的激光波长为694 3埃。它的激励装 置 是脉冲氮灯,反射面使氰灯发出来的光更集中地照射在红宝石棒上,提高红宝石激光器输出的激光功率。如一脉冲红宝石激光器,红宝石棒长为1 0 厘米,直径为1厘 米时,每个脉冲的能量约 为10焦 尔。如果脉冲时 间 为1毫秒,则平均功率为10 D0 0瓦。在连续工作的器件中,当红宝石棒长为7.5厘 米,直径为2厘 米时,输出的激光功率为1瓦。图4
12、红宝石激光器固体激光器中为防止工作物质过热一般还设有 冷却装置,目前固体激光器是最成熟的。半导体激光器 在所 有激光器中是效率最高体积最小的 一种激光器。最适合于军事上应用。但在目前,半导体激光器 的工艺还没完全过关。一般都做成脉冲式的。但如果把它冷却到低温时,也可以做成连续式的激光器。从实 用 的意义来讲,现在只有砷化徐激光器是重要的。它在雷达、通讯、计算机上有重要应用。在室温下激光波长为90 00埃,输出激光功率为20瓦,其效率约为1%。它的主要部分为一个P一N结,P型半导体接以正电极,N型半导体接以负极。在许多情况下,N型半导体与 一散热器相接,控制P一N结温度,从而使激 光的强度 与波
13、长都可保持稳定(图5)。尽一采用先进技术的教导,开展了激光技术的研究和应用工作。据不完全统计,全国已有近20个省、市的2 00多个单位开展了激光研究和在国民经济中推广应用 的工作,取得了一批可喜的成果。激光在准直、导向、浏距 中的应用激光束的方 向性极好,几乎与发射方向完全平行,发散角极小,通常为毫弧度,若再用光学系统聚焦,发散角度可更小。是理想的准直、导向基线。对于大型设备的安装、分段建造的万吨巨轮的合拢、架桥、筑路、铺设地下管道、开凿隧洞以 及实施各种地下工程,激光是极好的准直工具。一与隧道掘进机配合使用的激光导向仪如图6。望远镜、反射镜、激光器及 电源等均牢固地安装在机架染料激光器 又称
14、有机液体激光器。它发射的激光波长可以连续地改变。工作物质也容易制备,材料品种 也很多,近年发展较快。到 目前,染料激光器中所用工作物质分三类:灿吨类、聚甲川 类、香豆素类。现在最有效的工作物质是罗丹明(红色染料),效率可超过25%。一般用脉冲激光 器作为激励能源。四、激光的应用由于激光器的性质十分奇特,为各个科学技术领域带来了十分丰富的应用内容。在毛主席革命路线指引下,我国广大工人、科技人员遵照毛主席关于我们必须打破常规,上。激光束输 出后经反射镜转折,由望远镜射出,调节机架,使激光束的方 向正好是隧洞的掘进方向。然后用控制机械调整掘进机的位置,使固定在掘进机上的光讯号接收器的中心与激光束的中
15、心吻合,此时给出指零讯号。随着掘进机的前进,其方向发生偏离,光讯号接收器给出偏离信号。进而操纵控制机械的动作,使掘进机基本上沿激光束的方向前进。利用激光器发 出的脉冲光束射向目标,测定其往返时间,即可测出 目标的距离。测量速度快,精度高。上海无线电2 3厂的激光云高仪,可测出云底的高度,测距可达5公里,精度为士5米。武汉地震大队等单位协作研制的JC Y一1型相位式 激光测距仪,测程达30公里,精度为1厘米。激 光 通 讯 与 激 光电视激光频率高(1 0“1 05周 /秒)对通信意义很重大。它能携带 的讯号数目是十分惊人的。假定每个通话带宽4千赫,则它可容纳1 00亿个通话线路,或者同时播送1
16、00 0万套电视节目而互不干扰,这是目前任何一种通讯系统所望尘莫及的。目前激光通讯设备的种类很多,结构繁简程度差别极大。北京大学等单位试制 的半导体激光通讯机,于七、八级能见度下在40公里距离内通话成功。它与 无线电通讯不同之点仅在于用激光作载波。然而它在大气中传输衰减严重,不能超越障碍物以及对设备的精度要求很高,因此目前来说与无 线 电通讯相比,是各有所长,亦各有所短。激光还可应用 于 电视系统。由于激光功率密度高,用来摄像时不需外部强大 的照明设备。因光束狭窄,又可为红外(或紫外)光,摄像时保密性好。用激光显示时,因它具有极高的功率密度,从而实现了人 们渴望已久的大屏幕彩色电视。激 光打 孔、切割 和焊接利用激光高亮度的特点,激光在机械加工 中打孔、焊接、切割方面应用较为普遍。它特别适宜于加工金刚钻、陶瓷、硬质合金等硬度高、难熔、易碎的材料,也能切割大型的金属、木材、裁剪一百多层的布匹。一个激光打孔机结构可以下面的方框表示:匣-困一!激 光部)聚焦系统一)塑空咧 匕画圃一工一上海钟表元件厂采用激光打孔机进行钟表宝石轴承的打孔加工,比原来机械打孔节省人力一半,提高生产
