基本原则

能量水平和刺激的排放

激光发射所塑造的规则量子力学限制原子和分子,离散量的储存能量依赖的性质原子或分子。最低的能量水平对于单个原子发生在它电子年代都在最近的原子核和可能的轨道(看到电子配置)。这种情况被称为基态。当一个或多个原子的电子吸收能源,他们可以搬到外轨道,原子又被称为“兴奋”。激发态一般是不稳定的;当电子从高能低水平,他们发出额外的能量光。

爱因斯坦认识到这种排放可以产生在两个方面。通常,不同的光称为数据包光子自发发射,没有外部干预。另外,一个路过的光子可以刺激一个原子或分子发出人物通过光子的能量完全匹配时电子会自发释放的能量下降到一个低配置。这过程占主导地位取决于低能的最高配置的比例。通常,低配置占主导地位。这意味着自发发射光子更容易被吸收,提高电子从低配置高能量配置比刺激的高能配置下降到一个低配置通过发射第二个光子。只要低能状态更常见,受激发射会死。

然而,如果高能配置占主导地位(一个条件称为粒子数反转),自发发射光子更有可能进一步刺激排放,产生一连串的光子。热就不会产生粒子数反转;一些过程必须有选择性地激发原子或分子。通常情况下,这是通过照明激光和强光或通过一个材料电流通过它。

最简单的系统,如氨微波激射器汤斯建造的,只有两个能级。更有用的激光系统包括三个或四个能级。在一个三级激光材料首先是兴奋,短暂的高能状态自发下降到有点不同寻常的长寿命较低能级,称为亚稳状态。亚稳状态很重要,因为它的陷阱和拥有激能源,建立人口反演,可以进一步刺激了排放辐射,该物种回到基态。的ruby开发的激光西奥多梅曼是一个三能级激光。

不幸的是,三能级激光只有基态数量都在工作。当原子或分子发光,他们积累在基态,在那里他们可以吸收受激发射和关闭激光行动,所以大部分三级激光只能产生脉冲。这是克服困难四级激光,一个额外的过渡态位于亚稳态和地面之间的状态。这允许四级激光发出许多稳定梁数日。

激光器件

人口反演可以产生气体,液体或固体,但大多数激光介质是气体或固体。通常情况下,激光气体包含在圆柱管和兴奋的电流或外部光源,说“泵“激光。同样,固态激光可以使用半导体或透明的晶体用小发光原子的浓度。

一个光学谐振器需要建立梁的光能量。谐振器是由放置一对镜子面对面,这样所发射的光在镜子之间的界线来回反射。创建粒子数反转时的介质,光来回反射强度的增加与每个通过激光介质。其他光泄漏镜子而不被放大。在实际的激光腔中,一个或两个镜子传输入射光的一小部分。光传输的一部分,激光beam-depends类型的激光。如果激光生成一个连续梁,添加通过受激发射的光量在每个镜子之间的往返=光出现在梁+光学谐振腔内的损失。

激光介质和共振腔的组合形式通常被称为激光但技术是激光振荡器。振荡决定了许多激光特性,这意味着设备内部产生光。没有镜子和共振腔,激光只会是一个光放大器,它可以放大光从外部源但不生成梁内部。美国研究员伊莱亚斯Snitzer光学演示了在1961年第一次光放大器,但使用这类设备小到通信基础上的传播纤维光学。

激光的特点

激光通常不同于其他光线被集中在一个狭窄的光束,局限于一个狭窄的范围的波长(通常称为“单色”),和组成的波阶段彼此。这些属性来自于受激发射的过程之间的相互作用,共振腔,激光介质。

受激发射产生第二个光子相同的刺激的排放,所以新的光子具有相同的阶段,波长和方向,两人连贯的彼此,有高峰和低谷阶段。原来和新光子可以激发其他相同的发射光子。来回的光线穿过一个共振腔增强了这种一致性的程度一致性狭窄的梁根据激光器的设计。

尽管可见激光产生什么看起来像一个点的对面墙上的一个房间,对齐,或准直光束并不完美。光束传播的程度取决于两个激光反射镜之间的距离衍射,散射光孔的边缘。衍射正比于激光波长除以发射孔径的大小;孔径越大,光束传播的更慢。红色的氦氖激光发出从1毫米孔径的波长0.633微米,生成一个光束发散角约为0.057度,或一个毫弧度。这么小的发散角会产生一个一米的地方的距离一公里。相比之下,一个典型的手电筒光束产生类似一米的地方在几米之内。然而,并不是所有的激光产生紧束。半导体激光器发光附近一个微米波长相近尺寸的孔径,所以他们的分歧是20度以上,需要和外部光学聚焦光束。

激光器的输出波长取决于材料,受激发射的过程中,激光的光学谐振腔。对于每个能级之间的跃迁,材料可以支持在有限范围内受激发射波长;这个范围的程度随材料的性质和过渡。受激发射的概率随波长和波长的过程集中排放概率是最高的。

谐振腔支持激光振荡波长,满足共振前提积分数量N的波长λ等于距离光在镜子之间的往返旅行。如果腔长度l和折射率材料的激光腔n2、往返距离l必须等于Nλ/n或2l=Nλ/n。每一个共振被称为纵向模式。除了半导体激光器,蛀牙是成千上万的波长长,所以的波长相邻模式紧密间隔通常在两个或两个以上的激光同时发光波长的0.1%以内。这些光束单色对于大多数实际应用;可以添加到其他光学限制单纵模激光振荡,导致一个更窄的波长。最好的实验室激光发出的波长范围相差不到0.0000001%。

窄的波长范围,更多连贯的beam-meaning更精确的每一束光波是与每一个另一个精确同步。这是衡量一个量相干长度。如果发出的中心波长的范围是λΔλ发出的波长范围,这相干长度=λ²/ 2Δλ。典型的相干长度范围从毫米到米。如此长的相干长度是必不可少的,例如,记录全息图的三维对象。

激光能产生脉冲或连续梁,平均权力从毫瓦超过一百万美国瓦茨在最强大的实验激光。激光被称为连续波如果它的输出是名义上的恒定秒或更久的时间间隔;一个例子是稳定的红色梁从激光指针。脉冲激光器集中他们的精力投入到短暂的高功率脉冲输出。这些激光器可以火单脉冲或定期一系列脉冲。瞬时权力可以非常高非常短的脉冲的峰值。实验室激光产生峰值功率超过10¹⁵美国瓦茨的间隔大约10⁻¹²第二。

脉冲可以压缩时间极短,约5飞秒(5×10⁻¹⁵秒)在实验室的实验中,为了“冻结”行动在迅速发生的事件,如阶段化学反应。激光脉冲也可以高权力集中关注小点,就像一个放大镜阳光聚焦在一个小的地方点燃一张纸。