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激光(英語:laser,新加坡称镭射,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。產生激光需要“激發來源”、“增益介質”、“共振结构”這三個要素。
「laser」的各地常用譯名 | |
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中国大陸 | 激光 |
臺灣 | 雷射 |
香港 | 激光、雷射 |
星馬 | 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與自發輻射的關係。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,因为前提是介質必须存在着群數反轉(或譯居量反轉/粒子数反转)的狀態。在一个純粹的二级系统中,基於熱力學的分配函數,这是不可能達到的。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"激光原理",即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激發时,都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文,並分別獲得1964年和1981年的諾貝爾物理學獎。
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微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光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。紅寶石在物理上是一種摻有铬原子的剛玉,當紅寶石受到刺激時,就會發出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鑽一個孔,这孔使紅光可以從這個孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,這稱為红宝石激光。当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。
半导体激光器的发现:前苏联科学家尼古拉·巴索夫於1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由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激光二极管成为可能,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,高功率的激光激发原理得到实现,比如片状激光和光纤激光。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激光和Nd:YAG激光。
现在,激光器已成为工业、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激光器,1961年,中国大陆第一台激光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譯和命名。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。台灣一貫使用“雷射”這一翻譯,不使用“激光”這個名詞。無論是官方[2][3]或是民間媒體。[4] 新加坡有時也音譯為“镭射,但激光的性质实际上和鐳這種放射性重金属的裂变射线毫无关系。
激光器是利用受激辐射原理發射激光的器件,不同结构的激光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,这种称为激光放大器。
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、方向集中的激光,这就是激光振荡器。
半导体泵浦固体激光(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、激光雷达、引力波深测、光学数据存储等领域有广泛的应用。
激光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、输出激光波长是否可以调节、激光器的用途等特点分类。
根据产生激光的媒质,可以把激光器分为液體激光器、气体激光器和固体激光器等。而現在最常見的半導體激光器算是固体激光器的一種。
介质是气体的激光器,此种激光器通过放电得到激发。
化学激发激光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。
介质是固体的激光器,此种工作物质通过灯、半导体激光器阵列、其他激光器光照泵浦得到激发。热透镜效应是大多数固体激光器的一项缺陷。
半导体激光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,通常是利用兩種不同的材料來形成共振腔,尽管有些设计是把共振腔放在半导体晶体的外面。
商业激光二极管的发射波长是从375nm到3500nm。低到中等功率激光二极管被应用于激光打印机、CD/DVD播放机和激光指示器。应用于工业切割焊接,工业激光二极管的最高功率已经达到了10 kW (70dBm)[來源請求]。
染料激光器使用有機染料作为增益介质。
自由电子激光器(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激光的装置,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螢光蛋白(GFP)。绿色螢光蛋白(GFP)被用作激光的“增益介质”,光放大就发生在GFP。
激光器大多由激發系统、激光介质和光学谐振腔三部分组成。激發系统就是产生光能、电能或化学能的装置,如激光电源。目前使用的激發手段,主要有光照、通电或化学反应等。激光介质是能够产生激光的物质,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激光的亮度(強度),调节和选定激光的波长和方向等。
激光应用很广泛,主要有光纖通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光唱片、激光扫描、激光灭蚊器[6]等。
第一次在大众日常生活中使用激光是超市条码扫描仪,于1974年推出。光盘在1978年推出,是包括激光的第一个成功的消费产品,但光盘播放器是第一个装备有激光器的常见设备。紧接着,在1982年开始出现激光打印机。
一些其他用途有:
2004年,不包括二极管激光器,约有131,000个激光器被售出,价值为21.9亿美元[7]。同年,共售出约7.33亿二极管激光器,价值为32亿美元[8]。
即使是第1級的激光也被認為有潛在性的危險。西奧多·梅曼創造的第一個激光器只有“吉列”的功率,它只能灼熱吉列刮鬍刀的刀片。但是,幾毫瓦的低功率照射,都足以危害到人眼的視力。如果该激光的波長在眼角膜和透鏡可以良好聚焦在視網膜的范围内,就意味著這種相干性低的發散的激光會被眼睛聚焦在視網膜上極小的區域,只要幾秒鐘或更短的時間,就會造成视网膜局部的燒灼和永久性的傷害,有機會引致視網膜穿洞(網膜出現裂孔)及嚴重情況出現視網膜脫落[9]。
激光器通常都會標示有著安全等級編號的激光警示標籤:
這種標示的功率是針對可見光和連續波長的激光,對脈衝激光和不可見光激光還有其它適用的限制。對使用第3B級和第4級雷射工作的人,還需要可以吸收特定波長光的護目鏡保護他們眼睛的安全。
某些波長超過1.4 μm的紅外線激光通常被歸類為對“眼睛安全”的。這是因為水分子的內在分子震動對這一波段附近的頻譜有著強烈的吸收,因此這些波長的激光在通過眼角膜時會被稀釋,完全沒有辦法殘留的光線會被透鏡聚焦到達視網膜。但是"眼睛安全"的標籤可能會造成誤導,因為它只適用於低功率的連續光束,任何高功率或有Q-斷路器的激光,在這種波長一樣可以燒灼眼角膜,造成眼睛嚴重的損傷。
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