激光

激光產(chǎn)生

若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1,E2和E1能級上的布居數(shù)密度為N2和N1，在兩能級間存在著自發(fā)發(fā)射躍遷、受激發(fā)射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發(fā)射躍遷所產(chǎn)生的受激發(fā)射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發(fā)下產(chǎn)生的受激發(fā)射光是相干的。受激發(fā)射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場的單色能量密度。當(dāng)兩個(gè)能級的統(tǒng)計(jì)權(quán)重相等時(shí)，兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2＜N1，所以自發(fā)吸收躍遷占優(yōu)勢，光通過物質(zhì)時(shí)通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵(lì)可以破壞熱平衡而使N2＞N1,這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。在這種情況下，受激發(fā)射躍遷占優(yōu)勢。光通過一段長為l的處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)(激活物質(zhì))后，光強(qiáng)增大eGl倍。G為正比于(N2-N1)的系數(shù)，稱為增益系數(shù)，其大小還與激光工作物質(zhì)的性質(zhì)和光波頻率有關(guān)。一段激活物質(zhì)就是一個(gè)激光放大器。

 如果，把一段激活物質(zhì)放在兩個(gè)互相平行的反射鏡（其中至少有一個(gè)是部分透射的）構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中，處于高能級的粒子會(huì)產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內(nèi)往返傳播,當(dāng)它在激光物質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)不斷增長。如果諧振腔內(nèi)單程小信號增益G0l大于單程損耗δ(G0l是小信號增益系數(shù))，則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為不同的能級，當(dāng)原子從高能級向低能級躍遷時(shí)，會(huì)釋放出相應(yīng)能量的光子（所謂自發(fā)輻射）。同樣的，當(dāng)一個(gè)光子入射到一個(gè)能級系統(tǒng)并為之吸收的話，會(huì)導(dǎo)致原子從低能級向高能級躍遷（所謂受激吸收）；然后，部分躍遷到高能級的原子又會(huì)躍遷到低能級并釋放出光子（所謂受激輻射）。這些運(yùn)動(dòng)不是孤立的，而往往是同時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)我們創(chuàng)造一種條件，譬如采用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)、共振腔、足夠的外部電場，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，那么總體而言，就會(huì)有光子射出，從而產(chǎn)生激光。

激光的特點(diǎn)

（一）定向發(fā)光

普通光源是向四面八方發(fā)光。要讓發(fā)射的光朝一個(gè)方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡，使輻射光匯集起來向一個(gè)方向射出。激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個(gè)方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個(gè)月球。

 （二）亮度極高

在激光發(fā)明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石激光器的激光亮度，能超過氙燈的幾百億倍。因?yàn)榧す獾牧炼葮O高，所以能夠照亮遠(yuǎn)距離的物體。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產(chǎn)生的照度約為0.02勒克斯（光照度的單位），顏色鮮紅，激光光斑明顯可見。若用功率最強(qiáng)的探照燈照射月球，產(chǎn)生的照度只有約一萬億分之一勒克斯，人眼根本無法察覺。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。大量光子集中在一個(gè)極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度自然極高。

（三）顏色極純

光的顏色由光的波長（或頻率）決定。一定的波長對應(yīng)一定的顏色。太陽光的波長分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間，對應(yīng)的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽光談不上單色性。發(fā)射單種顏色光的光源稱為單色光源，它發(fā)射的光波波長單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發(fā)射某一種顏色的光。單色光源的光波波長雖然單一，但仍有一定的分布范圍。如氖燈只發(fā)射紅光，單色性很好，被譽(yù)為單色性之冠，波長分布的范圍仍有0.00001納米，因此氖燈發(fā)出的紅光，若仔細(xì)辨認(rèn)仍包含有幾十種紅色。由此可見，光輻射的波長分布區(qū)間越窄，單色性越好。

 激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布范圍可以窄到2×10^-9納米，是氪燈發(fā)射的紅光波長分布范圍的萬分之二。由此可見，激光器的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何一種單色光源。

 此外，激光還有其它特點(diǎn)：相干性好。激光的頻率、振動(dòng)方向、相位高度一致，使激光光波在空間重疊時(shí)，重疊區(qū)的光強(qiáng)分布會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的強(qiáng)弱相間現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源發(fā)出的光，其頻率、振動(dòng)方向、相位不一致，稱為非相干光。

閃光時(shí)間可以極短。由于技術(shù)上的原因，普通光源的閃光時(shí)間不可能很短，照相用的閃光燈，閃光時(shí)間是千分之一秒左右。脈沖激光的閃光時(shí)間很短，可達(dá)到6飛秒（1飛秒等于1000萬億分之一秒）。閃光時(shí)間極短的光源在生產(chǎn)、科研和軍事方面都有重要的用途。

（四）能量密度極大

光子的能量是用E=hf來計(jì)算的，其中h為普朗克常量，f為頻率。由此可知，頻率越高，能量越高。激光頻率范圍3.846*10^(14)Hz到7.89510(14)Hz.電磁波譜可大致分為：（1）無線電波——波長從幾千米到0.3米左右，一般的電視和無線電廣播的波段就是用這種波；（2）微波——波長從0.3米到10^-3米，這些波多用在雷達(dá)或其它通訊系統(tǒng)；（3）紅外線——波長從10^-3米到7.8×107米；（4）可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個(gè)波段。波長從780—380nm。光是原子或分子內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)所發(fā)出的電磁波。由于它是我們能夠直接感受而察覺的電磁波極少的那一部分；（5）紫外線——波長從3 ×10^-7米到6×10^-10米。這些波產(chǎn)生的原因和光波類似，常常在放電時(shí)發(fā)出。由于它的能量和一般化學(xué)反應(yīng)所牽涉的能量大小相當(dāng)，因此紫外光的化學(xué)效應(yīng)最強(qiáng)；（6）倫琴射線—— 這部分電磁波譜，波長從2×10^-9米到6×10^-12米。倫琴射線（X射線）是電原子的內(nèi)層電子由一個(gè)能態(tài)跳至另一個(gè)能態(tài)時(shí)或電子在原子核電場內(nèi)減速時(shí)所發(fā)出的；（7）γ射線——是波長從10^-10～10^-14米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內(nèi)發(fā)出來的，放射性物質(zhì)或原子核反應(yīng)中常有這種輻射伴隨著發(fā)出。γ射線的穿透力很強(qiáng)，對生物的破壞力很大。由此看來，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因?yàn)樗淖饔梅秶苄?，一般只有一個(gè)點(diǎn)），短時(shí)間里聚集起大量的能量，用做武器也就可以理解了。

受激輻射

什么叫做“受激輻射”?它基于偉大的科學(xué)家愛因斯坦在1916年提出了的一套全新的理論。這一理論是說在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會(huì)從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時(shí)將會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。激光主要有四大特性：激光高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。

目前激光已廣泛應(yīng)用到激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、異孔、膏藥打孔、水松紙打孔、鋼板打孔、包裝印刷打孔等）、激光淬火、激光熱處理、激光打標(biāo)、玻璃內(nèi)雕、激光微雕、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復(fù)電路、激光布線技術(shù)、激光清洗等。

經(jīng)過30多年的發(fā)展，激光現(xiàn)在幾乎是無處不在，它已經(jīng)被用在生活、科研的方方面面：激光針灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光測距儀、激光陀螺儀、激光鉛直儀、激光手術(shù)刀、激光炸彈、激光雷達(dá)、激光槍、激光炮……，在不久的將來，激光肯定會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。

激光的其它特性

激光有很多特性：首先，激光是單色的，或者說是單頻的。有一些激光器可以同時(shí)產(chǎn)生不同頻率的激光，但是這些激光是互相隔離的，使用時(shí)也是分開的。其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一個(gè)“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是說它要走很長的一段距離才會(huì)出現(xiàn)分散或者收斂的現(xiàn)象。

激光（LASER）是上世紀(jì)60年代發(fā)明的一種光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母縮寫。激光器有很多種，尺寸大至幾個(gè)足球場，小至一粒稻谷或鹽粒。氣體激光器有氦－氖激光器和氬激光器；固體激光器有紅寶石激光器；半導(dǎo)體激光器有激光二極管，像CD機(jī)、DVD機(jī)和CD-ROM里的那些。每一種激光器都有自己獨(dú)特的產(chǎn)生激光的方法。

激光技術(shù)應(yīng)用

激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工以及做為光源，識別物體等的一門技術(shù)，傳統(tǒng)應(yīng)用最大的領(lǐng)域?yàn)榧す饧庸ぜ夹g(shù)。激光技術(shù)是涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測等多門學(xué)科的一門綜合技術(shù)，傳統(tǒng)上看，它的研究范圍一般可分為：

1.激光加工系統(tǒng)。

包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。

2.激光加工工藝。

包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。

激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。

激光切割：汽車行業(yè)、計(jì)算機(jī)、電氣機(jī)殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機(jī)件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。

激光治療：可以用于手術(shù)開刀，減輕痛苦，減少感染。

激光打標(biāo)：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。

激光打孔：激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機(jī)葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準(zhǔn)分子激光器、同位素激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。

激光熱處理：在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時(shí)在航空航天、機(jī)床行業(yè)和其它機(jī)械行業(yè)也應(yīng)用廣泛。我國的激光熱處理應(yīng)用遠(yuǎn)比國外廣泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器為主。

激光快速成型：將激光加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合而形成。多用于模具和模型行業(yè)。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主。

激光涂敷：在航空航天、模具及機(jī)電行業(yè)應(yīng)用廣泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主。

美國得克薩斯州大學(xué)的科學(xué)家研制出世界上功率最強(qiáng)大的可操作激光，這種激光每萬億分之一秒產(chǎn)生的能量是美國所有發(fā)電廠發(fā)電量的2000倍，輸出功率超過1 皮瓦——相當(dāng)于10的15次方瓦。這種激光第一次啟動(dòng)是在1996年。馬丁尼茲說，希望他的項(xiàng)目能夠在2008年打破這一紀(jì)錄，也就是說，讓激光的功率達(dá)到1.3皮瓦到1.5皮瓦之間。超級激光項(xiàng)目負(fù)責(zé)人麥卡爾•馬丁尼茲表示：“我們可以讓材料進(jìn)入一種極端狀態(tài)，這種狀態(tài)在地球上是看不到的。我們打算在德州觀察的現(xiàn)象相當(dāng)于進(jìn)入太空觀察一顆正在爆炸的恒星。”

激光“抓住”碳納米管并使之移動(dòng)

最近，科學(xué)家開發(fā)出用激光“抓住”碳納米管并使之移動(dòng)的新技術(shù)。這種技術(shù)可以為芯片制造工程師提供一種把納米元件移動(dòng)到預(yù)定位置的新方法，從而制造出以納米管為基礎(chǔ)的微型芯片。

直徑只有幾納米、長約100納米的碳納米管具有半導(dǎo)體性能，這意味著碳納米管可能在某天成為低功率超快速計(jì)算機(jī)芯片的基礎(chǔ)。迄今，安裝碳納米管的惟一方法是利用一種名為原子力顯微鏡的昂貴設(shè)備，設(shè)法推動(dòng)納米管至預(yù)定位置，然而這種方法操縱起來十分費(fèi)事。

 為了改變這種狀況，美國伊利諾伊州紐約大學(xué)的科學(xué)家和一家光學(xué)公司的科研人員試驗(yàn)了一種名為“光學(xué)捕獲”的技術(shù)，試圖更便利地操縱碳納米管。光學(xué)捕獲技術(shù)就是利用激光能捕獲微小粒子的能力，在移動(dòng)激光束時(shí)使微小粒子跟隨激光移動(dòng)。由于激光能捕獲微小粒子，因此在它移動(dòng)時(shí)就會(huì)像鑷子一樣，“夾”著微小粒子移動(dòng)。科學(xué)家把這種現(xiàn)象稱為“激光鑷子”。現(xiàn)在生物學(xué)家已能用激光鑷子夾住單個(gè)細(xì)胞。例如，從血液中分離出單個(gè)血紅細(xì)胞用于研究鐮刀狀血紅細(xì)胞貧血癥或瘧疾治療研究。激光鑷子能“夾”住微小粒子，是因?yàn)榧す馐行膹?qiáng)度大于邊緣強(qiáng)度，因此當(dāng)激光束照射一個(gè)微小粒子時(shí)，從中心折射的光線要比向前的光線多。

當(dāng)折射的光線獲得向外的沖力時(shí)，粒子上的反作用力就使沖力指向激光束中心，因此粒子總是被吸引到激光束中心。如果粒子非常小且具有很小的重力或摩擦力，當(dāng)激光束移動(dòng)時(shí)，粒子就會(huì)跟著移動(dòng)。
 

然而，激光鑷子移動(dòng)的血細(xì)胞直徑有幾微米，但現(xiàn)在要移動(dòng)直徑僅2～20納米的碳納米管會(huì)麻煩得多。因此想利用單個(gè)激光鑷子移動(dòng)大量碳納米管到一定位置，可能會(huì)與用原子力顯微鏡一樣費(fèi)事。

 為此，科學(xué)家用一種液晶激光分離器把激光束分成200個(gè)可單獨(dú)控制的小激光束，研究人員可以控制這些激光束使之形成三角形、四邊形、五邊形和六邊形等形狀，從而移動(dòng)大量的納米管群，使它們在顯微鏡載片表面定位，達(dá)到移動(dòng)碳納米管的目的。

光學(xué)捕捉技術(shù)的成功，受到美國加利福尼亞大學(xué)的納米管專家、物理學(xué)家亞歷克斯•澤特爾的稱贊，他說，因?yàn)槟壳斑€沒有一種可靠的技術(shù)能操縱大量的納米管，而這種新的光學(xué)捕獲技術(shù)有可能應(yīng)用于工業(yè)。