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          民升資訊:激光由來你了解嗎?

          發表時間:2019-03-22 15:12:34 發布者: 瀏覽量:0

          民升資訊:激光由來你了解嗎?


               世界上第一束激光是由1960年的加州修斯實驗室研發成功,西奧多·梅曼發明的紅寶石激光器,開啟了人類創造激光、利用激光改造世界的大門。往后的幾十年來,激光科技不斷的發展更新,激光技術的應用已經進入了我們生活中的方方面面。

              很多人可能只知道激光十分的強大,可作用的用途十分的廣泛,但不清楚激光到底是怎么來的,是如何產生的。因此,民升激光小編就用通俗易懂的話語,為大家解說一下激光形成的原理。

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              激光到底是怎么來的?
              想了解激光的形成原理,首先要清楚什么是能級,“能級”簡單的說就是每一個原子(實際上核外電子)攜帶一定能力的狀態,不同的能級表示原子攜帶的能量不同。能級越高其核外電子能量就越高,越容易脫離原子核的束縛。為了方便大家更透徹的理解,就以原子結構最簡單的氫原子作為例子來講解一下。

              n表示量子數,對應原子的能級E。n=1時,表示的是氫原子穩定狀態下的能級,稱為基態(E1能級)。n=2、3、4等,稱為激發態(E2能級、E3能級、E4能級等)。根據丹麥物理學家玻爾的理論,原子處于穩定的基態時,如果受到外界的激發,吸收相應的外界能量,會躍遷到較高的能級上形成激發態。


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              而原子在激發態時是不穩定的,當原子處于激發態時會自發地向較低能級躍遷,經過一次或幾次躍遷到達基態,在向低能級躍遷的過程中會釋放相應能量。這個相應能量以一定頻率的光子的形式存在,可由能級圖右側數值計算得出,光子能量E=hν=Em-En。h是物理學家測出的固定值(普朗克常量),ν表示光子的頻率(由激發態向基態躍遷時釋放光子的頻率,就是原子對外輻射光的頻率,形成激光時也就是該激光的頻率,這決定了激光的波長λ=c/ν,c為光速)。

              理解能級結構之后,來看看激光是怎么形成的。同樣為方便理解,還是以結構最簡單的紅寶石激光器為例進行講解。紅寶石激光器屬于固體激光器,工作物質是紅寶石棒,晶體基質為Al2O3,摻有占總重量0.05%的Cr2O3。紅寶石中的激光作用是通過Cr3+(鉻離子)的受激發射過程而實現的,因而Cr3+通常稱為激活離子,它是紅寶石中產生激光的“主體”。而紅寶石的主要成分氧化鋁只是容納鉻離子的基質,對激光作用只起間接作用。

              當泵浦光照射紅寶石時,處于基態的Cr3+離子吸收特定波長的光躍遷到E3能級,Cr3+離子在這個能級上壽命很短(極不穩定,約存在10-9s),因而迅速通過無輻射躍遷(無輻射躍遷是指原子通過原子碰撞的形式將能量與外界進行交換,即晶體內部熱運動,從而發生能級改變,期間既不發射也不吸收光子)躍遷到E2能級。


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              E2能級壽命較長(約有3ms),稱為亞穩態能級,在這個能級上可以聚集較多的Cr3+離子。當外界泵浦足夠強的時候,會在E2能級和E1能級間形成粒子數反轉,即E2能級上Cr3+離子數量比E1能級多。


              在實現粒子數反轉后,每一個能量為hν的外來光子都將激發E2能級上的一個原子使其躍遷到基態,同時釋放一個能量為hν的光子,光子總能量也就1變2,2變4,4變8……從而實現了受激輻射放大(增益)過程。由于光學諧振腔對光增益存在損耗,只有受激輻射放大的增益大于激光器內的各種損耗時,才會輸出激光。



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