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透彻解析:激光到底是怎样来的

1960年,国际上的榜首束人工激光刺破了加州修斯实验室的安静,西奥多·梅曼发明的红宝石激光器,敞开了人类发明激光、使用激光改造国际的大门。尔后五十余年来,激光科学开展迅猛,激光技能的遍及使用也从方方面面走进了人们的日子。但多数人仅仅知道激光有这样那样的用处,却不知道激光到底是怎样来的。因此,本文将用相对浅显的言语,为咱们解说激光构成的原理。

透彻解析:激光到底是怎样来的

要弄懂激光构成的原理,首要了解一下什么是能级。简略来说,能级便是每一个原子(实际上核外电子)带着必定能量的状况,不同的能级表明原子带着的能量不同。能级越高,意味着核外电子能量越高,越简略脱离原子核的捆绑。为便利了解,以原子结构最简略的氢原子为例进行解说。

透彻解析:激光到底是怎样来的

氢原子能级结构图

n表明量子数,对应原子的能级E。n=1时,表明的是氢原子安稳状况下的能级,称为基态(E1能级)。n=2、3、4等,称为激起态(E2能级、E3能级、E4能级等)。依据丹麦物理学家玻尔的理论,原子处于安稳的基态时,假如遭到外界的激起,吸收相应的外界能量,会跃迁到较高的能级上构成激起态。而原子在激起态时是不安稳的,当原子处于激起态时会自发地向较低能级跃迁,经过一次或几回跃迁抵达基态,在向低能级跃迁的进程中会开释相应能量。这个相应能量以必定频率的光子的方式存在,可由能级图右侧数值核算得出,光子能量E=hν=Em-En。h是物理学家测出的固定值(普朗克常量),ν表明光子的频率(由激起态向基态跃迁时开释光子的频率,便是原子对外辐射光的频率,构成激光时也便是该激光的频率,这决议了激光的波长λ=c/ν,c为光速)。

了解能级结构之后,来看看激光是怎样构成的。相同为便利了解,还是以结构最简略的红宝石激光器为例进行解说。红宝石激光器归于固体激光器,作业物质是红宝石棒,晶体基质为Al2O3,掺有占总重量0.05%的Cr2O3。红宝石中的激光效果是经过Cr3+(铬离子)的受激起射进程而完成的,因此Cr3+一般称为激活离子,它是红宝石中发作激光的“主体”。而红宝石的主要成分氧化铝仅仅包容铬离子的基质,对激光效果只起直接效果。其能级结构如图所示:

透彻解析:激光到底是怎样来的

当泵浦光照耀红宝石时,处于基态的Cr3+离子吸收特定波长的光跃迁到E3能级,Cr3+离子在这个能级上寿数很短(极不安稳,约存在10-9s),因此敏捷经过无辐射跃迁(无辐射跃迁是指原子经过原子磕碰的方式将能量与外界进行交流,即晶体内部热运动,然后发作能级改动,期间既不发射也不吸收光子)跃迁到E2能级。E2能级寿数较长(约有3ms),称为亚稳态能级,在这个能级上可以集合较多的Cr3+离子。当外界泵浦满足强的时分,会在E2能级和E1能级间构成粒子数回转,即E2能级上Cr3+离子数量比E1能级多。在完成粒子数回转后,每一个能量为hν的外来光子都将激起E2能级上的一个原子使其跃迁到基态,一起开释一个能量为hν的光子,光子总能量也就1变2,2变4,4变8……然后完成了受激辐射扩大(增益)进程。因为光学谐振腔对光增益存在损耗,只要受激辐射扩大的增益大于激光器内的各种损耗时,才会输出激光。

下面对红宝石激光器结构进行解说,有条件的话,可以自己着手制作一个简易的红宝石激光器哦。

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