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镭射(英语:laser,新加坡称镭射,中国大陆称激光,香港称激光/雷射,台湾称雷射)是英文“受激辐射产生的光放大”(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的缩写,指透过刺激原子导致电子跃迁释放辐射能量而产生的具有同调性的增强光子束。其特点包括发散度极小、亮度(功率)很高、单色性好、相干性好等。产生镭射需要“激发来源”、“增益介质”、“共振结构”这三个要素。
“laser”的各地常用译名 | |
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中国大陆 | 激光 |
台湾 | 雷射 |
香港 | 激光、雷射 |
马新 | 镭射 |
阿尔伯特·爱因斯坦在1916年首先描述了原子的受激辐射与自发辐射的关系。在此之后人们很长时间都在猜测,这个现象可否被用来加强光场,因为前提是介质必须存在着群数反转(或译居量反转/粒子数反转)的状态。在一个纯粹的二级系统中,基于热力学的分配函数,这是不可能达到的。故人们首先想到用三级系统,而且计算证实了辐射的稳定性。
1958年,美国科学家查尔斯·汤斯和阿瑟·肖洛发现了一种神奇的现象:当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象,他们提出了"镭射原理",即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时,都会产生这种不发散的强光--镭射。他们为此发表了重要论文,并分别获得1964年和1981年的诺贝尔物理学奖。
肖洛和汤斯的研究成果发表之后,各国科学家纷纷提出各种实验方案,但都未获成功。
1960年5月16日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的镭射,这是人类有史以来获得的第一束镭射,梅曼因而也成为世界上第一个将镭射引入实用领域的科学家。他的方案是,利用一个高强闪光灯管来刺激红宝石。红宝石在物理上是一种掺有铬原子的刚玉,当红宝石受到刺激时,就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔,这孔使红光可以从这个孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,这称为红宝石镭射。当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。
半导体镭射器的发现:前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体镭射器。半导体镭射器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是:尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。
在1980年代后期,半导体技术使得更高效而耐用的半导体镭射二极管成为可能,这些在小功率的CD和DVD光驱和光纤数据线中得到使用。
在1990年代,高功率的镭射激发原理得到实现,比如片状镭射和光纤镭射。后者由于新的加工技术和20kW的高功率不断地被应用到材料加工领域中,从而部分的替代了CO2镭射和Nd:YAG镭射。
现在,镭射器已成为工业、通讯、科学及电子娱乐中的重要设备。
1960年7月7日,美国科学家梅曼发明了第一台镭射器,1961年,中国大陆第一台镭射器在中国科学院长春光机所由王之江等人研制成功。但当时中国并没有“激光”一词,中国科学界对它的英文翻译多种多样,例如“光的受激辐射放大器”、“光量子放大器”,这些名字显然太长,不利于称呼。还有一些音译,如“莱塞”或者“雷射”。
命名的混乱给科学界和教育界带来极大的不便。1964年冬天,中国全国第三届光量子放大器学术报告会在上海召开,研究并通过对专有名词的统一翻译和命名。会议召开前,《光受激发射情报》杂志编辑部给著名物理学家钱学森写了一封信,请他给laser取一个中文名字。不久,钱学森回信建议命名为“激光”。这一名字表现出光的本质、又描述了这类光和传统光的不同,即“激”体现了受激发生、激发态等意义。这一名称在会上受到了与会者的一致赞同,因此中国大陆对laser有了统一的汉语名称[1]。
在港澳地区“激光”和“雷射”两词都通用。台湾一贯使用“雷射”这一翻译,不使用“激光”这个名词。无论是官方[2][3]或是民间媒体。[4] 新加坡有时也音译为“镭射,但镭射的性质实际上和镭这种放射性重金属的裂变射线毫无关系。
镭射器是利用受激辐射原理发射镭射的器件,不同结构的镭射器的工作原理不尽相同。
通过光、电或其他办法对物质进行激发,使得其中一部分粒子激发到能量较高的状态,当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时,由于受激辐射,物质就能对某一波长的光辐射产生放大作用,也就是这种波长的光辐射通过物质时,发射强度会放大,并与入射光波位、频率和方向一致的光辐射,这种称为镭射放大器。
若把激发的物质放置于共振腔内,光辐射在共振腔内沿轴线方向往复反射传播,多次通过物质,光辐射被放大许多倍,形成一束强度大、方向集中的镭射,这就是镭射振荡器。
半导体泵浦固体镭射(DPSS)具有效率高、结构紧凑、光束质量好、性能稳定、寿命长等优点,日益引起人们的广泛重视。尤其是单频运转,在光谱学、相干通讯、镭射雷达、引力波深测、光学数据存储等领域有广泛的应用。
镭射器的分类有很多方式,例如按照工作状态、工作物质的种类、输出波长的波段、输出镭射波长是否可以调节、镭射器的用途等特点分类。
根据产生镭射的媒质,可以把镭射器分为液体镭射器、气体镭射器和固体镭射器等。而现在最常见的半导体镭射器算是固体镭射器的一种。
介质是气体的镭射器,此种镭射器通过放电得到激发。
化学激发镭射器是一种特殊的形式。激发通过媒介中的化学反应来进行。媒介是一次性的,使用后就被消耗掉了。对于高功率的条件及军事领域是非常理想的。
介质是固体的镭射器,此种工作物质通过灯、半导体镭射器阵列、其他镭射器光照泵浦得到激发。热透镜效应是大多数固体镭射器的一项缺陷。
半导体镭射器是电驱动的二极管。施加电流产生的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用的光增益。在晶体的解理面端点处的反射形成光学谐振腔,通常是利用两种不同的材料来形成共振腔,尽管有些设计是把共振腔放在半导体晶体的外面。
商业镭射二极管的发射波长是从375nm到3500nm。低到中等功率镭射二极管被应用于镭射打印机、CD/DVD播放机和镭射指示器。应用于工业切割焊接,工业镭射二极管的最高功率已经达到了10 kW (70dBm)[来源请求]。
染料镭射器使用有机染料作为增益介质。
自由电子镭射器(Free electron lasers),或FEL,是以自由电子为工作物质,将高能电子束的能量转换成镭射的装置,具有短波长、大功率、高效率和波长可调节的特性,波长从微波,到太赫兹辐射和红外线,到可见光谱,到软X-射线。
活细胞可以基因改造工程产生绿色萤光蛋白(GFP)。绿色萤光蛋白(GFP)被用作镭射的“增益介质”,光放大就发生在GFP。
镭射器大多由激发系统、镭射介质和光学谐振腔三部分组成。激发系统就是产生光能、电能或化学能的装置,如镭射电源。目前使用的激发手段,主要有光照、通电或化学反应等。镭射介质是能够产生镭射的物质,如红宝石、钕玻璃、氖气、半导体、有机染料等。光学谐振腔的作用,是用来放大加强输出镭射的亮度(强度),调节和选定镭射的波长和方向等。
镭射应用很广泛,主要有光纤通信、镭射光谱、镭射测距、镭射雷达、镭射切割、镭射唱片、镭射扫描、镭射灭蚊器[6]等。
第一次在大众日常生活中使用镭射是超市条码扫描仪,于1974年推出。光盘在1978年推出,是包括镭射的第一个成功的消费产品,但光盘播放器是第一个装备有镭射器的常见设备。紧接着,在1982年开始出现镭射打印机。
一些其他用途有:
2004年,不包括二极管镭射器,约有131,000个镭射器被售出,价值为21.9亿美元[7]。同年,共售出约7.33亿二极管镭射器,价值为32亿美元[8]。
即使是第1级的镭射也被认为有潜在性的危险。西奥多·梅曼创造的第一个镭射器只有“吉列”的功率,它只能灼热吉列刮胡刀的刀片。但是,几毫瓦的低功率照射,都足以危害到人眼的视力。如果该镭射的波长在眼角膜和透镜可以良好聚焦在视网膜的范围内,就意味着这种相干性低的发散的镭射会被眼睛聚焦在视网膜上极小的区域,只要几秒钟或更短的时间,就会造成视网膜局部的烧灼和永久性的伤害,有机会引致视网膜穿洞(网膜出现裂孔)及严重情况出现视网膜脱落[9]。
镭射器通常都会标示有着安全等级编号的镭射警示标签:
这种标示的功率是针对可见光和连续波长的镭射,对脉冲镭射和不可见光镭射还有其它适用的限制。对使用第3B级和第4级镭射工作的人,还需要可以吸收特定波长光的护目镜保护他们眼睛的安全。
某些波长超过1.4 μm的红外线镭射通常被归类为对“眼睛安全”的。这是因为水分子的内在分子震动对这一波段附近的频谱有着强烈的吸收,因此这些波长的镭射在通过眼角膜时会被稀释,完全没有办法残留的光线会被透镜聚焦到达视网膜。但是"眼睛安全"的标签可能会造成误导,因为它只适用于低功率的连续光束,任何高功率或有Q-断路器的镭射,在这种波长一样可以烧灼眼角膜,造成眼睛严重的损伤。
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