第1个回答 2007-05-16
激光英文名是 Laser,即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的缩写。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。但在阐释这个过程之前,我们必先了解物质的结构,以及光的辐射和吸收的原理。
物质由原子组成。原子的中心是原子核,由质子和中子组成。质子带有正电荷,中子则不带电。原子的外围 分布着带负电的电子,绕着原子核运动。有趣的是,电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们,这些电子会处于一些固定的「能级」,不同的能 级对应于不同的电子能量。为了简单起见,我们可以如图一所示,把这些能级想象成一些绕着原子核的轨道,距离原子核越远的轨道能量越高。此外,不同轨道最多可容纳的电子数目也不同,例如最低的轨道 (也是最近原子核的轨道) 最多只可容纳 2 个电子,较高的轨道则可容纳 8 个电子等等。事实上,这个过份简化了的模型并不是完全正确的 [1],但它足以帮助我们说明激光的基本原理。
电子可以 通过吸收或释放能量从一个能级跃迁至另一个能级。例如当电子吸收了一个光子 [2] 时,它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能级。同样地,一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中,电子吸收或释放的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长,因此,吸收或释放的光具有固定的颜色(或频率)。
当原子内所有电子处于可能的最低能 级时,整个原子的能量最低,我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能级时,我们称原子处于受激状态。前面说过,电子可 通过吸收或释放在能级之间跃迁。跃迁又可分为三种形式:
自发吸收 - 电子通过吸收光子从低能级跃迁到高能级。
自发辐射 - 电子自发地通过释放光子从高能级迁到较低能级。
受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能级跃迁到低能级,并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相,此波长对应于两个能级的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子,最后就变成两个相同的光子。
激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。图三显示红宝石激光的原理。它由一枝闪光灯,激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体,当中有微量的铬原子。在开始时,闪光灯发出的光射入激光介质,使激光介质中的铬原子受到激发,最外层的电子跃迁到受激态。此时,有些电子会 通过释放光子,回到较低的能级。而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射,诱发更多的电子进行受激辐射,使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射,另一面镜子则会把大部分光子反射,并让其余小部分光子穿过;而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。