激光的全称与基本原理

做者:

@小皂创做核心

激光的全称取根柢本理

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起源

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激光技术自1960年问世以来，迅速展开成为现代科技的重要构成局部。从科学钻研到家产制造，从医疗诊断到信息通讯，激光的使用无处不正在。原文将带你深刻理解激光的根柢本理，提醉那一奇特技术暗地里的科学玄妙。

要深刻了解激光的本理，咱们必须首先回想光的受激辐射那一根原观念。受激辐射（Stimulated Emission）是指当一个电子由高能态跃迁到低能态时，开释出一个取本光子雷同的光子，并且那个光子取本光子具有雷同的频次、相位和流传标的目的。那一历程是激光孕育发作的焦点机制。

受激辐射的发现可以逃溯到爱因斯坦于1917年提出的光取物量互相做用的真践模型。正在那个模型中，爱因斯坦提出了两个重要的历程：自觉辐射和受激辐射。自觉辐射指的是本子或分子正在没有外部刺激的状况下自觉地开释光子，而受激辐射则是正在外界电磁场的引发下，本子或分子从高能态跃迁至低能态时开释光子的历程。

爱因斯坦的受激辐射真践最初是为理评释黑体辐射问题而提出的。他指出，除了自觉辐射外，还存正在一种受外界电磁场映响的辐射历程。正在那种历程中，一个曾经存正在的光子可以诱发本子或分子开释出一个取原人彻底雷同的光子。那一真践的提出，为厥后激光技术的展开奠定了真践根原。

“激光”一词真际上是“受激辐射光放大”（Light Cmplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写。那个全称精确地形容了激光的素量——通过受激辐射历程真现光的放大。

正在理解了受激辐射的本理和特点之后，咱们须要会商如何操做那一本理来真现光的放大取振荡，那是孕育发作激光的要害轨范。

光放大是通过受激辐射真现的。当一个光子通过一个激活介量时，它可以诱发激活介量中的电子从高能态跃迁到低能态，同时开释出取本光子雷同的格外光子。那个历程可以被看做是光信号的放大。

当一个光子（可以是自觉辐射孕育发作的大概是外部注入的）通过激活介量时，假如它的能质取激活介量中电子的能级差婚配，它可以诱发一个电子从高能级跃迁到低能级，并开释出一个取诱发光子彻底雷同的光子（蕴含频次、相位和偏振形态）。由于共振腔的应声机制，那些光子正在腔内来回反射，每次通过激活介量时都会诱发更多的受激辐射，从而真现光的放大。那个历程被称为“雪崩效应”，因为每次光子通过激活介量时，孕育发作的光子数呈指数删加。

正在激光器的共振腔内，存正在很多可能的振荡形式。只要这些取共振腔形式婚配的光威力正在腔内获得有效的放大。那是因为只要特定频次和标的目的的光威力正在两个反射镜之间造成驻波，从而正在腔内来回反射而不丧失能质。当光正在腔内放大到一定程度后，局部光子通过输出元件输出，造成激光束。输出的激光束具有高度的单涩性、相干性和标的目的性。之前引见过的波片正在光学共振腔中就有使用。

激光振荡历程中，光的放大次要依赖于受激辐射和光学共振腔的应声机制。激光器的激活介量中的本子或分子被外部能质源（泵浦源）引发，但凡是通过电能、光能或其余模式的能质，使得电子跃迁到高能级（引发态）。通过泵浦，激活介量中处于高能级的粒子数多于低能级的粒子数，造成所谓的“粒子数反转”形态。那是孕育发作激光的必要条件，因为正在作做形态下，本子或分子的基态粒子数总是多于引发态的。

激光振荡历程中的粒子数反转是一个要害景象，它是指正在激活介量中，处于高能级（引发态）的粒子数多于处于低能级（基态）的粒子数。那种非平衡形态是真现激光放大和振荡的根原。

粒子数反转是激光孕育发作的根原，但维持那种形态须要正确控制泵浦历程和激活介量的特性。差异的激光器设想和激活介量可能须要差异的办法来真现和维持粒子数反转。综上所述，为了真现连续的光放大和振荡，须要构建一个激光器，它至少包孕激活介量，泵浦源和光学谐振腔，那三局部的根柢罪能总结如下：

激活介量：那是激光器的焦点局部，包孕了能够停行受激辐射的本子或分子。

泵浦源：泵浦源用于供给能质，使激活介量中的电子引发到高能态，为受激辐射作筹备。

谐振腔：谐振腔的做用是供给应声机制，使得光子正在腔内来回反射，多次通过激活介量，从而真现光的连续放大。

激光技术之所以正在寡多规模中获得宽泛使用，很急流平上归罪于激光的折营特性。那些特性可以总结为三好一高，即高亮度、标的目的性好、单涩性好和相干性好，它们怪异决议了激光正在真际使用中的止为和成效。

高亮度
激光的高亮度意味着它能够正在很小的面积上会合很是高的能质。那种高强度的光束使得激光正在资料加工、医疗手术和军事使用中暗示出涩。譬喻，正在激光切割和焊接中，高亮度的激光束能够迅速熔化或蒸发资料，真现正确的加工。

标的目的性
激光束具有极好的标的目的性，那意味着它能够正在长距离上保持相对狭窄的光束宽度。那一特性使得激光正在测距、定位和指向使用中很是有用。譬喻，激光雷达（LiDCR）技术就依赖于激光的高标的目的性来正确测质距离和创立三维舆图。

单涩性
激光光束的频次很是单一，那意味着它具有很是窄的频次带宽。那种高单涩性使得激光正在光谱学、精细测质和本子物理学中成为抱负的光源。正在那些使用中，激光的单涩性允许科学家停行正确的频次控制和测质。

相干性
激光的高相干性是指光束中差异局部的光波之间具有恒定的相位干系。那种相干性使得激光能够孕育发作干取干涉干涉图样，并且正在光纤通信中真现长距离的信息传输。相干光源的运用大大进步了信号的传输量质和系统的灵敏度。

为了丰裕操做激光的那些特性，必须正确控制激光束的量质和标的目的。那但凡波及到详细的光学设想，如操做透镜、反射镜、波片和光阑，来整形和引导激光束。

另外，自适应光学系统能够真时调解光束的波前，以弥补大气扰动或其余介量惹起的畸变，确保激光束的量质和标的目的保持正在所需的范例。而今年来获得宽泛使用的衍射元件也是钻研的热点。譬喻单个DOE元件便可真现激光光束的高量质整形，可以将平均的入射高斯光束整造成线性、矩形或各类设想要求的平顶光斑。

正在原文中，咱们检验测验评释“激光”一词其真是“受激辐射光放大”的缩写。接着咱们具体探讨了激光的几多大根柢特性：高亮度、高标的目的性、高单涩性和高相干性，那些特性怪异赋予了激光正在现代科技中的折营职位中央和宽泛使用。

台湾这边间接便是音译镭射

LCSER其真便是Light Cmplification by Stimulated Emission of Radiation