第九章 激光 激光是二十世纪六十年代出现的一种新型光源——激光器发出的光。激光一词的本意是受激辐射放大的光。1960年美国休斯研究实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器, 1961年9月中国科学院长春光学精密机械研究所制成了我国第一台激光器。此后 , 在激光器的研制、激光技术的应用以及激光理论方面都取得了巨大进展，并带动了一些新型学科的发展, 如全息光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等，激光还与当今的重点产业——信息产业密切相关。

光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。   §9-1 激光原理 一．物质与光相互作用的规律 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。 微观粒子都有它特有的一套能级。任何时刻，一个粒子只能处于与某一个能级相对应的状态（或者简单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射一个光子。光子的能量值为此两能级间的能量差△E，频率为 =△E/h（h为普朗克常量）。

处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到与此能量相适应的较高能级上去。称为受激吸收。 过程前 过程后 E2 E2 hν E1 E1 受激吸收 • • 处在高能级上的粒子，如存在着可以接纳它的较低能级，即使没有外界的作用，也有一定的概率，自发地从高能级（E2）向低能级（E1）跃迁。同时辐射出能量是E2-E1的光子，称为自发辐射。 过程前 过程后 E2 E2 E1 E1 自发辐射 • hν •

率、相位、偏振态以及传播方向等都相同的光子，这个过程称为受激辐射。 1917年爱因斯坦指出，除自发辐射之外，当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，粒子也会以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频 过程前 过程后 E2 E2 E1 E1 受激辐射 • 2hν hν • 率、相位、偏振态以及传播方向等都相同的光子，这个过程称为受激辐射。

可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子又激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就是激光。 二．粒子数反转 受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是普通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。

当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，因受激辐射使光子数增加，受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转，如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。 任何工作物质，在适当的激励条件下可在特定的高低能级间实现粒子数反转。

必须能在该物质中实现粒子数反转。可以是气体、液体、固体或半导体。现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段 实用激光器中，主要构件的大体情况如下： 1．激光工作物质 必须能在该物质中实现粒子数反转。可以是气体、液体、固体或半导体。现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段 谐振腔 激光   工作物质 反射镜 激励源   的激光。

地得到激光输出，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去， 激励源形象地称为泵。 2. 激励源（泵） 为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于高能级的粒子数增加。用气体放电的办法激发物质原子，称为电激励，也可用脉冲光源去照射工作物质，称为光激励，还有热激   谐振腔 激光   工作物质 反射镜 激励源   励，化学激励等。为了不断 地得到激光输出，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去， 激励源形象地称为泵。

3．谐振腔 所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。 光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。

反射镜的一个作用是使光沿工作物质轴线在反射镜间来回反射，每经过一次工作物质光就得到一次放大，被反射回到工作物质的光，继续诱发新的受激辐射，光在谐振腔内来回振荡，造成连锁反应，雪崩式地获得放大。 受激辐射的起始光信号来源于自发辐射，而自发辐射的光包含较大的波长范围，这样较大范围的波长都有可能被放大，从而导致了非单一波长的光输出。在反射镜上镀一层对一定波长光具有反射率的薄膜，使只有该波长的光才能在谐振腔内来回反射，而其它波长的光在经过一次反射镜时就逸出腔外。

§9-3 激光器的种类 现在人们已经按照实际应用的需求，造出了各种各样的激光器。通常可以按工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几方面来进行分类。 一．按工作物质分类 1. 固体激光器 工作物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石（YAG）等，是在作为基质的材料的晶体或玻璃中均匀地掺入少量离子，称为激活离子。产生激光发射作用的是掺入的离子。可作为激活离子的有过渡族金属离子如铬离子(Cr3+)、稀土金属离子如钕离子(Nd3+)、锕系离子等。 一般来说固体激光器具有器件体积小，坚固，使用方便，输出功率大的特点。

气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、光束质量好以及能长时间较稳定连续工作的特点，是目前品种最多应用最广泛的激光器。 2. 气体激光器 工作物质是气体或金属蒸气。气体激光的特点是激光输出波长范围较宽。常用的氦-氖激光器，是通过气体放电使Ne原子产生粒子数反转，输出激光的波长为632.8nm（红光）。 气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、光束质量好以及能长时间较稳定连续工作的特点，是目前品种最多应用最广泛的激光器。 3. 半导体激光器 以半导体为工作物质，产生激光的方法有p-n结注入式、电子束激发、光激发、雪崩式击穿等。

它体积小重量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。现在的光驱、VCD、DVD的激光头都是一个小型半导体激光发射器。 4. 液体激光器 常用有机染料作工作物质，大多数情况是把有机染料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体激光器的工作原理比较复杂，但输出的波长连续可调，且覆盖面宽。 5. 自由电子激光器 以自由电子为工作物质。把凡是利用自由电子与电磁波相互作用所产生的从微波到X射线的受激辐射均称为自由电子激光。

这是一种特殊类型的新型激光器，被电子加速器加速的电子流注入周期变化的磁场。只要改变电子束的速度就可产生波长连续变化的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，其峰值功率和平均功率高且可调，相干性好，可获得偏振输出，因此具有很诱人的前景。 其它还有光纤激光器、化学激光器、单原子激光器、X射线激光器等。 二．按运转方式分类 可分为连续激光器、单次脉冲激光器、重复脉冲激光器，调Q激光器、锁模激光器、单模和稳频激光器、可调谐激光器等等。

§9-4 激光束的主要特性 三．按激励方式分类 可分为光泵式激光器，电激励式激光器，化学激励激光器（又称化学激光器），核泵激光器。 四．按输出激光的波段范围分类 可分为远红外激光器、中红外激光器、近红外激光器、可见激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射线激光器等。 §9-4 激光束的主要特性 普通光源发出的光是向各个方向辐射并随着传播距离的增加而衰减。主要原因是这些光源发的光是组成光源的大量分子或原子在自发辐射过程中 “各自为政”辐射光子。

激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具有不同于普通光的一系列性质。 1. 方向性好 激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条直线上传播，我们称激光的准直性好。因为激光要在谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射后终将逸出腔外，因此从部分透明的反射镜射出的激光方向性好。良好的方向性使激光是射得最远的光，应用于测距、通讯、定位方面。

2. 亮度高 一般光源发光是向很大的角度范围内辐射，如电灯泡不加约束是向四面八方辐射。激光的辐射范围在1×10-3rad（0.06º）左右，因此既使普通光源与激光光源的辐射功率相同，激光的亮度将是普通光源的上百万倍。1962年人类第一次从地球上发出激光束射向月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红，所以能见到月球上有一红色光斑。激光的高亮度在激光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮度的激光引发热核反应。

光的颜色取决于光的波长，通常把亮度为最大亮度一半的两个波长间的宽度定义为这条光谱线的宽度，谱线宽度越小，光的单色性越好。 3. 单色性好 光的颜色取决于光的波长，通常把亮度为最大亮度一半的两个波长间的宽度定义为这条光谱线的宽度，谱线宽度越小，光的单色性越好。 可见光部分的颜色有七色，每种颜色的谱线宽度为40-50nm，激光的单色性远远好于普通光源，如氦-氖激光器输出的红色激光谱线宽度只有10-8nm。 激光良好的单色性使激光在测量上优势极为明显。 4. 相干性好 当激光束分成两束进行迭加时，产生的干涉条纹非常清晰。

§9-5 激光的应用 激光，作为一种新类型的光登上舞台，带来光学应用技术的革命，已在生产、生活、国防的各个方面都有着应用，几乎成为所有现代技术依赖的手段。在此不可能加以详述，仅就一些常见的应用作简要介绍。 一．激光在自然科学研究上的应用 1. 非线性光学效应 在熟悉的反射、折射、吸收等光学现象中，反射光、折射光的强度与入射光的强度成正比 ，这类现象称为线性光学现象。如果强度除了与入射光强度成正比外，还与入射光强度成二次方、三次方乃至更高的方次，这就属非线性光学效应。

这些效应只有在入射光强度足够大时才表现出来。当高功率的激光器问世后，人们在激光与物质相互作用过程中观察到非线性光学现象，如频率变换，拉曼频移、自聚焦、布里渊散射等。 2. 用激光固定原子 气态原子、分子处在永不停息的运动中（速度接近340m/s），且不断与其它原子、分子碰撞，要“捕获”操纵它们十分不易。1997年华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却到极低温度，使其速度比通常作热运动时降低，达到“捕获”操纵的目的。

具体作法是，用六路两两成对的正交激光束，沿三个相互垂直的方向射向同一点，光束始终将原子推向这点，于是约106个原子形成的小区，其温度在240μK以下。这样使原子的速度减至10m/s量级。后来又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在约1s内从控制区坠落后被捕获。 1997年朱文棣、科恩、飞利浦三人因此而获诺贝尔物理学奖。此项技术在光谱学、原子钟、研究量子效应方面有着广阔的应用前景。

二. 激光测距 激光雷达 激光准直 利用激光的高亮度和极好的方向性，做成激光测距仪、激光雷达和激光准直仪。 激光测距的原理与声波测距的道理差不多，因为光速c已知，只要测量从激光发射至接收到从物体反射回来的激光的时间间隔即可。激光雷达对准的是运动目标或相对运动的目标。 激光制导的导弹，头部有四个排成十字形的激光接收器（四象限探测仪）。如果四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向飞行，如果有一个接收器接收的激光少了，它就自动调整方向。另一类可用激光束照射要打击的目标，经目标反射的激光被导弹上的接收器收到，引导导弹击中目标。

三. 激光用在加工领域 以激光良好的单色性和相干性为基础。激光全息技术可以用作无损探伤，即不用损坏零件便可检测出零件内部的缺陷。 利用激光的亮度高和方向性好可以在机加工领域大有作为。 如可以在零件上打一般钻头不能打的异形孔和尺寸达微米级的小孔。利用激光进行切割，具有速度快，切面光洁，不发生形变的特点。激光焊接可焊一般焊接法不能焊的难熔金属。还可以利用激光亮度高、能量集中、可通过理论计算进行控制的特点对金属工件表面进行改性处理。

四. 激光信息处理 激光技术能大幅度提高信息处理能力，特别是引入激光后。 全息技术是1948年英国科学家盖伯提出的一种新的成像原理，“全息”一词引处希腊语，是“完全”的意思。但由于当时没有好的相干光源，因而无法获得好的相干像片。激光的出现，使全息术飞速发展成为一个新领域，盖伯因此获1971年诺贝尔物理学奖。

普通照像是把从物体表面发出的光经过透镜，在感光底片上记录下物体的光强分布，再翻印到相纸上，呈现出物体的平面图像。普通照像只记录了物体表面的光强分布，没有记录到物体各部分到观察者的远近和角度，即没记录下物体发出光线的相位分布，这样的像没有立体感。 全息照像是用相干光照射物体，从物体反射或漫射的光不是用透镜成像而是直接照射到全息底片上，用干涉现象把那些光的光强分布和相位记录下来。底片上没有被拍物体的形象，在显微镜下可看到的是一幅长短不一、间距不等、走向不同的复杂干涉条纹，称为全息图。

要想看到图样，用相干光按一定方式照射全息图，在一定方向可看到物体的像，称为再现。再现的是从物体反射或漫射的光束本身，所以像是立体的。 光刻技术，如光刻集成电路、光盘。光盘的外形有点像唱片，写入读出的原理也和机械唱片差不多，只是用激光束来代替唱针，因为激光的相干性很好，用聚光系统可以把激光聚焦成比针头还细小的光束，所以它在介质上写入信息所占空间尺寸可以非常小（小于1nm）因而信息存储密度很大。CD唱片是用声音调制了的激光束刻制光盘，由于在读写光盘时光点与光盘无机械接触，就不存在由摩擦引起的杂音，同时也无磨损，因而光盘音质佳、寿命长。

五. 激光通信 激光通信也是利用激光束单色性好，方向性好的特点。 要想提高传递信息容量比较有效的办法是提高载波的频率，如用波长10cm的电波代替波长100m的电波，通信容量可以提高1千倍，所以从19世纪开始不断发展短波通信，最初使用波长几千米的无线电通信（长波通信），后来发展为波长几百米的中波通信，20世纪50年代又发展厘米级的微波通信，波长再缩短进入光波波段，光波的频率在1014HZ-1015HZ之间，厘米波的频率是1010HZ左右，所以光波通信的容量又比微波通信提高1万倍到10万倍。

但普通光源发出光波是不能作通信载波的，因为普通光源发出的光单色性不好，若用这种光波作载波，相当于同时有多套频率的节目到达接收器，所以效果差。激光提供了单色性很好的光波，光波通信才进入实用化阶段。利用光波的载波通信做法与微波通信类似，激光器输出的光束经过光电调制器调制后送到发射天线（一只光学反射镜）发射出去，在用户接收端，接收天线（也是反射镜）把传送过来的光信号汇集到光电接收器上转换为电信号，再经电放大和解调后就可以得到所传递的信息。在实际应用中为避免光波在大气中传播的损失，光信号是在光纤内传递的，光信号在光纤中的损耗很小。

现在发展的光计算机是用光波束代替电流构造计算机，会获得更高的运算速率和容量。 在显示技术上，激光液晶大屏幕将代替阴极射线管，有可能成为21世纪电视的主角。 六. 激光的生物应用 生物育种上可以采用“诱发育种”方法培育良种，诱发育种也有化学诱变、核辐射诱变、光诱变等，激光照射属光诱变。生物组织吸收激光能量后，将会使生物体发生光-生物热效应、生物光压效应、生物光化学效应、生物电磁效应和生物刺激效应，由此引起生物遗传异变。我国已用激光照射种子培育新品种，改善品质。

七. 激光用于医学领域 现在激光技术已成为医学中的新技术，并开始形成一个新的医学分支——激光医学。主要应用有 1. 激光刀 是用光学系统聚焦的激光束作用于生物体组织，在短时间内使之烧灼和气化。当光束以一定速度移动时，能把组织切开，起到手术刀的作用。激光的能量还能烧结封闭组织中的血管、淋巴管，减少出血量，在做肿瘤手术时也可防止肿瘤扩散。脉冲激光作用时间短（小于千分之一秒），可以用作精细的眼科手术，病人的眼睛还来不及转动，“刀”已经下去了，不会伤及其它部位。同时激光刀与手术部位是非接触性作用，因而是自身消毒的手术。

2. 激光纤维内窥镜 借助于光纤，可以把激光引入人体内部用激光施行手术，避免一些剖腹的大手术。

3.低功率激光的应用 弱激光对生物组织有刺激、镇痛、消炎、扩张血管等作用，用弱激光照射病灶，有治疗效果。利用弱激光照射穴位，可产生类似针炙的效果。 4.利用激光进行基础医学和疾病的检测诊断 可以利用相应的激光仪器，研究细胞、亚细胞和大分子的结构以及一些特殊细胞的生物学过程，例如可以借助于激光微束仪，把激光束聚焦到0.5μm-1.0μm，用以切割和焊接细胞，研究生物的遗传规律 激光诊断目前主要是应用激光的光谱技术、干涉技术等，通过对血液、尿液和人体其它组织成分的测定，无损伤地鉴别待测组织是否发生病变。

八. 激光与能源 激光与能源密切相关的两方面应用是激光分离同位素和激光核聚变。高亮度的激光用来引发热核聚变，使氘和氚聚变成氦和中子后释放出大量能量。 在第七章提到用235U作核燃料要对铀同位素进行分离，有利用铀核质量不相同的气体扩散法和离心分离法等。由于235U与238U在大小和重量上相差很小分离困难。激光出现后，利用激光的单色性，使235U选择性电离（原子分离法）或选择性离解（分子分离法），达到分离目的。利用激光还可对其它同位素进行分离。