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奧林巴斯顯微鏡,什麽是激光?

2014-01-07  發布者:admin 

 在20世紀50年代流行的科幻影片,怪物往往描繪,可以發光的致命射線從他們的眼睛(圖1),但直到激光的發明,這種集中和強大的能量光束分別隻有幻想。 現在是可能的修改中,探針,或使用從已知的激光能量源的高度集中的輻射破壞的問題。 幾乎所有的光,AG亚游集团在AG亚游集团的日常生活中看到,從太陽,星星,白熾燈和熒光燈,甚至AG亚游集团的電視機,自發地發生時,原子和分子排除體內多餘能量的自己。

普通的自然和人工光源被釋放在原子和分子水平沒有任何外部幹預發生的能量變化。 但是第二種類型的光線存在,並且當一個原子或分子保持其多餘的能量,直到刺激放出的能量以光的形式出現。 激光器的設計,生產和放大這種刺激光的形式進入激烈和聚焦光束。 這個詞激光是杜撰的一個縮寫對於L的洞察力一個mplification由S timulatedřadiation以東使命。 激光的特殊性質已經在日常生活中,包括通訊,娛樂,製造和醫藥的幾乎每個方麵做出的激光技術的重要工具。

愛因斯坦可能在不經意間已經被認識到兩種類型的排放是可能采取激光發展的第一步。 在出版於1917年的一篇文章,他是第一個提出受激輻射的存在。 多年的物理學家認為,光的自發輻射是最有可能和主要形式,而任何受激發射將永遠是弱得多。 但直到二戰結束後,搜尋開始為有需要的受激發射占主導地位,並作出一個原子或分子激發許多人產生放大發射光的影響條件。

科學家在哥倫比亞大學的查爾斯·H.湯斯,是第一個在受激輻射放大成功在50年代初,但他的工作圍繞微波(具有更長的波長比可見光),他被稱為他的設備微波激射器 。 其他科學家隨後在建立成功的微波激射器,以及一個顯著的精力是集中在試圖生產在較短波長的受激發射。 許多用於產生激光的主要概念是在開發大約在同一時間,後來在20世紀50年代,由湯斯和肖洛亞瑟(貝爾實驗室),以及由戈登·古爾德在哥倫比亞大學。 古爾德提出了專利申請,而不是發表他的想法,雖然他得到的榮譽在他的筆記本電腦創造出這個詞“激光”,近30年過去了,他被授予多項專利之前。 仍有分歧誰的功勞激光的概念。 兩個蘇聯人,尼古拉·巴索夫和亞曆山大·普羅霍羅夫,分享了1964年諾貝爾物理學獎與湯斯他們對底層微波激射器和激光器的原則開拓性的工作。 肖洛被授予1981年諾貝爾物理學獎的份額為他的激光研究。

湯斯出版的“和肖洛的工作激發了巨大的努力,建立一個工作激光係統。 在1960年5月,西奧多·梅曼,在休斯研究實驗室工作,建成使用合成紅寶石棒已被計入,因為這是第一台激光設備。 在694納米的緊密集中的窄波束,比較典型的由目前許多激光顯示的特點梅曼的紅寶石激光器發出的相幹紅光強烈的脈衝。 第一激光使用具有鍍銀反射光的端部,通過一個螺旋形的閃光燈包圍的小紅寶石棒,並且是小到足以被握在手中。 有趣的是,休斯委托宣傳的發現攝影師認為實際激光太小,不得不梅曼構成一個更大的激​​光,這是不可操作,直到後來。 有照片顯示了“更令人印象深刻”梅曼激光仍然流傳,並在許多出版物中使用。

雖然激光發射可見光是最常見的,基本的原則是適用通過多的電磁頻譜。 第一受激發射是在頻譜的微波區域實現的,但是現在的激光器可發射紫外和紅外光,並正在朝著生產激光器,用於X-射線光譜區的進展。 今天在實際使用範圍的激光器輸出功率從不到一毫瓦連續輸出的多千瓦,而一些生產瓦萬億美元的極短脈衝。 圖2給出了代表性的激光器,它有很大的不同大小和應用的一些例子。 軍事和其他研究實驗室已經建立了激光器占據整個建築中,而最常見的激光器使用約沙粒大小的半導體器件。

某些基本原理的理解是至關重要的受激輻射是如何產生和放大任何解釋。 第一,這些原則是必要的,因為激光本質上是一種量子力學的設備,必須是為了解釋激光的操作被調用能量的量子性質。 經典物理學假定能量可以連續且平滑地變化,並且該原子和分子可具有能量的任何量。 愛因斯坦的工作,這成為關鍵量子力學的發展,認為能量存在於離散的單元或量子以及原子和分子(和因此一切)被限製為具有能量的僅某些離散值。

幾個額外的概念,它起源於光子和原子水平,並從量化的原則派生的,是必要的,了解激光手術

  • 能量在原子結果與原子相聯的離散的能量水平量化。
  • 轉換從一個能級到另一個必須能夠以用於光發射的發生。
  • 幾種類型的過渡的發生和影響能量中涉及的過渡量。
  • 自發和受激發射有可能從能量轉換。
  • 之間的能量水平人口反轉必須實現以擴增能量的受激發射。

如果一個原子或分子在於能量的狀態,是比最低的,或地電平狀態越高,它可以自發下降到一個較低的水平,沒有任何外界刺激。 下降到降低能量狀態的一個可能的結果是將多餘的能量(相當於在兩個能級之差)的釋放光的光子。 激發的原子或分子具有特征的自發發射的時間,這是所需的平均時間,它們仍然處於激發較高能態它們落之前為較低的能級和發射一個光子。 的發射時間是在生產的受激發射,提出愛因斯坦所述第二類型的一個重要因素。

而在激發態中,如果原子被照射具有完全相同的能量會自發地發生的過渡傳入的光子時,原子可被傳入的光子激發,返回到低狀態,並同時發射一個光子在該同樣的躍遷能量。 因此,一個單光子與激發態原子相互作用可導致兩個光子被發射。 如果所發射的光子被​​看作是一個波時,受激發射將振蕩入射光的頻率,並在相(相幹),導致原來的光波的強度的放大。 圖3示出了自發(a)及刺激(B)的發射與所導致的後一種情況下的兩個相幹波。

在實現受激發射的激光的主要問題在於,熱力學平衡,人口,或在每個能級的原子或分子的數量在正常狀態下,是不利於的受激發射。 因為原子和分子自發地跌落到較低能量水平的傾向,在各能量電平的數目會隨著能量增加而增加。 事實上,在正常情況下,對於一個躍遷能量相應於一種典型的光​​學波長(1電子伏特的量級),原子或分子中的較高能態的數目對在較低的地麵狀態的數量的比率也許是10 C 17。 換句話說,幾乎所有的原子或分子的基態為可見光波長的能量轉換。

該受激發射的原因是難以實現的考慮周邊從與光的後續和自發發射激發態的電子的衰變的可能的事件時變得很明顯。 所發射的光可以很容易地激發發射從另一個退出原子,但是這麽幾個可用的發射更可能首先會遇到在基態的原子,並且將被吸收,而不是(圖3(c))。 因為原子在激發態的數量是如此微乎其微就在基態的數目,所發射的光子具有的被吸收更大的可能性,使受激發射微不足道時相比(在熱力學平衡)的自發輻射。

由受激發射,可向主導機製是有處於興奮狀態比在較低的能量狀態原子的位置,以使發射的光子更容易激發發射比被吸收。 因為這種情況是正常的平衡狀態的倒數,它被稱為粒子數反轉 。 隻要有在上部的能量水平比在較低的多個原子,受激輻射可以占主導地位,而光子的結果的級聯。 第一發射光子會刺激更多的光子的發射,這些隨後刺激的更發射,等等。 光子的產生級聯的增加,從而導致發射的光的放大。 如果粒子數反轉終止(基態人口成為主導),自發輻射將再次成為青睞的過程。

在愛因斯坦的建議的時候,大多數物理學家認為比熱力學平衡其他任何條件不穩定,不能持續。 但直到第二次世界大戰後認真考慮了生產所必需的人口倒置,以維持受激輻射的方法。 原子和分子可以占據很多的能量水平,雖然某些躍遷比其他人更可能(由於量子力學的規則和其他原因),過渡可以在任何兩個電平之間發生。 最低要求的受激發射而放大或激光作用,是在至少一較高能級必須高於一個較低的電平更大的人口。

粒子數反轉可以通過兩種基本機製,通過創建一個多餘的原子或分子在一個較高能態,或通過減少低能量狀態的人口來製造。 一種係統,也可以選擇不穩固在較低的水平,但對於連續激光手術,注意力通常必須支付給兩個填充的更高水平和人口減少較低的水平。 如果有太多的原子或分子聚積在較低的能級,粒子數反轉將會丟失,激光作用將停止。

用於產生粒子數反轉的激光介質中的最常見的方法是能量添加到係統中,以激發原子或分子到更高的能級。簡單地通過熱攪拌該介質中添加能量是不夠的(下熱力學平衡),以產生粒子數反轉,因為熱不僅增加了群體的平均能量,但不會增加物種的激發態相對於在數較低的狀態。 原子的數目的在根據熱力學平衡兩個能級(1和​​2)的比率由下式給出下列公式

N2/N1 = exp[- (E2 - E1) / kT]

其中N(1)N(2)是原子的第1級和2分別電平數字,E(1) ​​和E(2)是第2級的能量,k是玻爾茲曼常數,T為在開爾文溫度。 就證明了方程,在熱力學平衡,N(2)可以大於N(1)僅在溫度為負數。 在描述微波激射器和激光作用的研究發表,物理學家稱為粒子數反轉為負溫度 ,這是象征他們認為比熱力學平衡其他任何條件不太可能持續下去。

以產生所需的粒子數反轉為激光的活性,原子或分子必須是有選擇性興奮特定能量水平。 光與電是首選大多數激光器的激發機製。 光或電子可提供激發的原子或分子,以選定的較高的能量水平所必需的能量,而不是必需的能量的轉​​移直接促進電子向激光躍遷的特定水平上。 有些方法可以是相當複雜的,但這些往往會產生性能更好的激光器。 一種經常使用的方法激發比所需的原子或分子,以更高的能級,然後將其滴在上激光能級。 間接激勵可以被用來激發原子在周圍的氣體混合物,然後它們的能量轉移到原子或分子負責產生激光作用。

如前麵所討論的,時間由處於激發態的原子或分子所花費的金額是確定它是否將被刺激到發射和參與光子的級聯反應,或通過自發發射失去其能量的關鍵。 激發態通常有隻有納秒壽命,才由自發發射,經過一段時間,是不是足夠長由另一個光子可能發生的刺激釋放自己的能量。 激光作用的關鍵要求,因此,是一個較長的壽命的狀態是適合於上能級。 這樣的狀態確實存在對某些材料,以及被稱為亞穩狀態(參見圖4)。 自發發射前的平均壽命時為亞穩態是一微秒到毫秒,時間很長的時間在原子尺度的量級。 有了這個壽命長,激發原子和分子可以產生顯著量受激發射的。 激光作用是唯一可能的,如果人口積聚速度比它衰變在上部的能量水平,保持人口較下層的大。 的自發發射壽命更長,更適合的分子或原子是用於激光應用。

查爾斯湯斯事先第一台激光器的展示了微波激射器是顯著,因為它需要創建一個粒子數反轉,以功能,因此證明許多持懷疑態度的物理學家,這樣的反轉可以生產。 他的係統是一個兩級微波激射器,僅利用上部和下部的能量水平。 湯斯采用一種新的方法在他的氨分子係統產生的粒子數反轉 - 該分離基態分子激發氨分子的分子束技術。 基態分子被丟棄,並且將分離的激發分子構成所需的粒子數反轉。 另外,更高效,裝置現在已經被開發用於微波激射器和激光器的實際需要的三個,四個或更多能級的利用率。

最簡單的功能的能級結構為激光器操作是一​​個三電平係統,它是示於圖4(a)所示。 在這個係統中,地麵狀態是較低的激光水平,粒子數反轉是這個水平和較高的能量亞穩態之間建立。 大多數的原子或分子的最初激發到一個短暫的高能量狀態比所述亞穩態水平。 從該狀態便迅速衰減到中間亞穩能級,因而具有更長的壽命比更高的能量狀態(通常在1000倍以上的數量級)。 因為在亞穩狀態的每個原子的停留時間相對長,人口趨於增加,並導致亞穩態和下基態(其被連續地被過稀的最高水平)之間的粒子數反轉。 受激發射結果的事實,更多的原子是在上興奮的(亞)狀態比可在較低的狀態下,光的吸收最有可能發生的。

雖然三能級激光係統,適用於所有的實際目的,其實例梅曼的第一激光,存在的一些問題限製了這種方法的有效性。 發生的中心問題,因為較低的激光電平是地電平,這對於大多數的原子或分子的正常狀態。 為了產生粒子數反轉,多數基態的電子必須被提升到高度興奮的能量水平,需要外部能量的顯著輸入。 此外,粒子數反轉是難以維持為可觀的時間,因此,3級激光器必須在脈衝模式下操作,而不是連續進行。

使用四個或更多能級激光器避免一些上述的問題,因此是更常用的。 圖4(b)示出了一個4級的情況。 的能級結構類似,在三電平係統中,不同​​之處在於後的原子從最高級別下降到亞穩狀態上,它們不會掉落一路到接地狀態中的單個步驟。 因為粒子數反轉是不接地狀態和上層之間產生,必須升高的原子或分子的數目在該模型中顯著地降低。 在一個典型的四能級激光係統,如果原子或分子隻有1或2%的駐留在較低的激光水平(這是在地麵上的狀態),然後激動人心隻有兩到四個%的總的上級將達到所要求的粒子數反轉。 分離從地電平較低的激光水平儀的另一個優點在於,低級別的原子會自然下降到基態。 如果在較低的激光水平具有壽命比上層短得多,原子會衰減到足夠的速率,以避免在較低的激光水平積累的接地電平。 許多根據這些限製而設計的激光器可以以連續的方式進行操作,以產生一個不間斷的光束。

實際工作的激光器通常遠比以上描述的模型更加複雜。 上激光水平往往不是一個單一的水平,但一組的能級,使所需的激發能在操作過程中在很寬的範圍內。 下層還可以包括多個級別,並且如果緊密間隔的上級的每個衰減到不同的較低級別,單個激光器可在多個轉換操作,產生一個以上的波長。 氦 - 氖激光,例如,最常用的為發射單一的紅色波長,但它也可以在其他的轉換操作,以產生橙色,黃色,綠色和紅外輻射。 存在於實際的激光器,包括活性介質的性質而設計的許多其它因素。 多種氣​​體或分子種類的其它組合,通常采用來提高捕獲和傳送的能量的效率,或協助人口減少較低激光水平。

該微波激射器和激光器實際上可以產生具有裏程碑意義的演示之前,科學家們忽略了在外太空存在自然產生的微波激射器(圖5)的事實。 即使在受激發射愛因斯坦的預言,大多數物理學家認為,產生粒子數反轉是如此困難,這是不太可能發生的性質。 實際上,科學家們顯然沒有認真考慮這個問題可能比在熱力學平衡的狀態下自然存在。 所謂的宇宙微波激射器包括來源,如各地的紅巨星,彗星,超新星遺跡,和其他恒星形成的分子雲的信封。 在氣體雲包圍炙手可熱的明星,從恒星發出的輻射能夠激發氣體分子以較高的能量水平,然後衰減到穩態。 隻要合適的較低的激光水平存在時,粒子數反轉的發生原因,這將導致激光器的動作。 雖然過程是相同的人造微波激射器或激光,和大量的能量,可以輻射,恒星激光或微波激射能量發射不局限於一個光束。 由宇宙微波激射器發出的輻射向外傳播的,就像任何其他的星際熱氣體雲中的能量四麵八方。

除了建立一個粒子數反轉的,其他一些因素都需要放大和光集中成一激光束。 從在激光介質產生的受激發射的光通常具有單一的波長,但是通過一些機製,包括放大,必須有效地提取從培養基中。 完成該任務的一個諧振腔 ,它反映了某些排放回到激光器介質的,並且通過多個交互,生成或放大的光強度。 例如,在初始受激發射之後,兩個光子具有相同的能量和相位是每個可能遇到受激原子,這將隨後發射具有相同能量和相位甚至更多的光子。 由受激發射所產生的光子數量的快速增長,以及增加直接正比於激光介質的光傳播的距離。

示於圖6是增益或放大,即發生在諧振腔內,由於反射鏡的每一端增加的路徑長度的圖示。 圖6(a)示出了受激發射,這是在圖6中放大的(b)至圖6(g)在光從位於所述腔體端部的反射鏡反射的開始。 每遍過程中通過部分反射鏡的光的一部分通過上腔的右手側(圖6的(b,d和f))。 最後,在均衡狀態(圖6(h))後,腔體是飽和的受激發射。

放大的激光,用術語表達的增益達到的程度,指的是受激發射的光子可以產生在其行進給定距離的量。 例如,每1.5厘米的增益意味著一個光子產生1.5額外光子每行進厘米。 這將導致一個放大係數與激光腔中的路徑長度增加而增加。 實際的增益是更複雜的,並且取決於在上部和下部的激光的能量水平,以及其他因素之間的人口分布的波動。 重要的一點是,擴增急劇增大的距離的量,通過將激光介質行進。

在同一個縱向諧振腔,諸如紅寶石棒或氣體填充的管構成的激光,光行進沿著激光介質的長度產生比垂直於所述腔的長軸發射的光更受激發射。 因此,光發射是沿空腔的,即使沒有使用反射鏡來限製它的路徑的長度方向的長度濃縮。 放置反射鏡在激光腔的相對端部使光束向來回移動,這導致增加的擴增由於通過介質的路徑長度更長。 多次反射也產生一個狹聚焦束(一個重要的激光特性),因為隻有光子行進平行於腔壁將來自兩個反射鏡被反射。 這種安排被稱為一個振蕩器 ,是必要的,因為大多數的激光的材料具有非常低的增益和足夠的放大,隻能用一個長的路徑長度通過介質來實現。

大多數當前的激光器的設計與諧振腔,以增加光需要通過激光介質的路徑兩端的反射鏡。 發光強度的增長與光的每遍,直到它到達一個由空腔和反射鏡的設計建立了一個平衡級。 一個腔反射鏡反射幾乎全部的入射光,而其它(輸出鏡)反射一些光,並將一部分作為激光束發射。 在一個激光器具有低增益,輸出鏡被選擇來傳輸隻有一小部分的光的(也許隻有百分之幾),並反映了廣大放回腔。 在平衡狀態下,激光功率越高空腔內部比外部,並且隨著光通過輸出鏡透射的百分比。 通過增加輸出鏡的透射率,所述腔體的內部和外部之間的功率差可以減小。 然而,隻要在輸出鏡反射的光的某些部分放回腔,電源內部保持高於新興光束中更高。

大約從所有發出的光被反射在腔內來回,直到一個臨界強度達到,於是一些“逃逸”,通過輸出鏡作為光束的想法激光器結果一個常見的​​誤解。 在現實中,輸出鏡總是發射光的光束的恒定部分,反射其餘部分返回到腔中。 這個功能是重要的,使激光器達到平衡狀態,具有的功率電平的內部和外部的激光成為恒定。

由於該光來回振蕩的激光腔中的事實, 共振現象成為激光強度的放大因子。 根據受激發射和腔長的波長,該波從末端反射鏡反射要麽長幹涉和被強烈放大,或相消幹涉而抵消激光活性。 因為在腔體內的波都是相幹和同相的,它們會從一個腔反射鏡反射時保持同相。 浪也將在相位在到達對麵鏡,設置在腔體的長度等於波長的整數倍。 因此,使一個完整的振蕩在腔內後,光波走過的路徑長度等於所述腔室長度的兩倍。 如果該距離為波長的整數倍時,則波將所有由相長幹涉增加幅度。 當空腔不是激射波長的整數倍,會發生相消幹涉,破壞激光作用。 下麵的等式定義了必須滿足的強擴增發生在激光腔中的諧振條件

N • λ = 2 • (Cavity Length)

其中,N是整數,並且λ是波長。 用於諧振的條件不是關鍵的,因為它可能出現,因為實際的激光躍遷在腔分布在一定範圍的波長,稱為增益帶寬 。 相比典型的激光諧振腔的長度的光的波長是非常小的,並且在一般情況下,通過空腔的完整的往返路徑將等於被放大的光的幾十萬波長。 共振有可能在每個積分波長增量(例如200,000,200,001,200,002,等等),並且由於相應波長非常接近,它們落入激光器的增益帶寬之內。 圖7示出一個典型的例子,其中N個幾個共振值,稱為激光的縱模 ,貼合的增益帶寬之內。

激光束具有某些共同的特征,但也各不相同,以廣泛的程度相對大小,發散,並在光束直徑的光分布。 這些特性在激光諧振腔(共振器)的設計中,光學係統控製光束強烈地依賴,無論是在所述腔和後輸出。 雖然激光可能會產生光的均勻明亮的光點時,投影到一個表麵,如果光強度在光束的橫截麵測量在不同的點時,將發現不同的強度。 諧振器的設計也影響光束發散,度量光束從激光增大擴頻為距離。 光束發散角是在計算的光束直徑在給定距離的重要因素。

在許多先前的討論中,假設是,反射鏡的激光諧振腔的兩端是平麵的,或平的。 概念上,這是最簡單的配置,但實際上它可以是非常難以實現的。 如果兩個反射鏡是不準確對齊,會發生過度的光的損失,可能會導致激光停止運行。 甚至不對準一個小數度的,幾個連續的反射後,可導致從所​​述腔​​體的側麵顯著光損失。 如果一個反射鏡的一個或兩個具有彎曲的表麵,由於不對中的光損耗可減少或消除。 因為曲麵鏡的聚焦性能,光被限製到空腔,即使反射鏡沒有精確對準,或者如果光不被精確地沿著空腔軸射出。 還有一些設計上的變化是采用的平麵和曲麵的反射鏡不同的組合,以確保光線總是聚焦背朝向相反的鏡像。 這種類型的配置被稱為一個穩定的諧振器 ,因為光被反射從一個鏡像到另一個將繼續無限期地振蕩,如果沒有其他的損失。

在具有低增益激光介質,穩定的諧振器是在最大限度地利用受激發射的非常重要。 在高增益激光,從腔體的側麵低水平的損失是不嚴格的。 事實上,某些不穩定諧振器的設計可能是優選的,因為它們常常具有從激光介質內較大體積收集能量的優點,即使它們允許光損失。 在高增益激光反射鏡往往比具有較低的增益激光係統更透明,讓一個給定的光線可能隻出現在光束中通過前腔旅行一次。 因此,反射鏡的取向是不至關重要的,因為在低增益的設計,其中的輸出鏡的高反射率使光出現之前被反射多次。

激光諧振腔長度和光相互作用的波長,以產生光束的能量分布的縱向模式,但諧振器的設計是一個關鍵的因素在決定整個光束的寬度的光強分布,以及所使用的速率的光束發散。 整個光束的強度由梁的橫向模式來確定。 在光束強度的分布可能是由某些所謂的邊界條件的限製,但通常的光束具有一個,兩個,或更多的中央的峰,具有在邊緣強度為零。 的各種模式被指定為TEM(百萬)模式 ,參照 T ransverse,E LECTRIC和M鐵磁介質模式,分別為,其中m和 n是整數。 該整數指示最小值的數目,或零強度點的光束在兩個垂直方向上的邊緣之間(E模式為第一和M-模式下 ,第2次)。

一個典型的激光束是亮的中心和強度向邊緣脫落。 這代表了最簡單的一階模式中,被指定的TEM(00),並且具有橫跨下麵的高斯函數的光束的強度分布。 圖8說明了幾個在眾多的TEM(百萬)模式是可能的。 雖然一些穩定的諧振器的激光器,特別是那些設計用於最大輸出功率,在一個較高階模式的一個或多個操作時,通常需要抑製這些振蕩。 第一階模式可以容易地在穩定的諧振器的低增益的激光器而獲得,並且是優選的方式,因為光束由於衍射傳播可以接近理論最小值。

衍射起著決定的激光光斑可以投影到一個給定的距離的大小有重要作用。 在所述諧振器腔的光束的振蕩產生一個窄的光束,隨後發散在某些角度取決於諧振器設計中,輸出孔徑的尺寸,並且在梁上產生的衍射效應。衍射通常被描述為一個光束擴展效應的結果,從衍射環(稱為艾裏環)圍繞一個光束,當光波通過小開口過去了的形成。 這些衍射現象穿過一個光學係統後的光點的最小直徑加以限製。 用於激光,光束新興從輸出鏡可以被認為是作為開口或孔,光束被反射鏡上的衍射效應將限製最小發散性和光束的光點尺寸。 在透射電子顯微鏡(00)模式的光束,衍射,通常是在光束發散角的限製因素。 光束發散之麵值由下式給出的簡單關係

Divergence (in radians) = Constant • Wavelength / Beam Diameter

如果激光束穿過一種光學係統,在上述方程中的適當的直徑值是通過該光束經過最後一個元素。 該常數取決於在光束中的強度分布,而且是非常接近於中值。 的關係清楚地表明,光束發散角隨波長增加而增加,隨梁(或輸出鏡頭)直徑增大。 換句話說,一個較小直徑的光束將遭受比大型光束發散更多和更大的傳播距離。

光束發散角的對於一個給定激光的值可以有很大的實際意義。 氦氖激光和半導體激光已成為測量領域的標準工具。 在激光測距,快速激光脈衝被發送到一個角反射器在被映射的位置,並在返回脈衝的延遲被精確地測量,以從激光位置獲得的距離。 在慣常的短距離,光束發散的是不是一個顯著問題,但是對於較長距離的測量,過度發散可以減少反射光束的強度,並妨礙檢測。 在阿波羅11號和阿波羅14號任務美國宇航員放置在被雇用的,從在麥克唐納天文台在德克薩斯州一個強大的脈衝紅寶石激光反射光線的月亮角反射器。 雖然梁已蔓延至3公裏的月球表麵的半徑,反射光仍然有足夠的強度在地球上被檢測到。 從月球到德州天文台的距離進行測量,在15厘米,這個實驗,但自80年代以來,技術進步提高了精度小於2厘米的價值。 目前正在努力雇用強大的望遠鏡利用月球上的幾個反射器,以進一步減少誤差,也許是為了低至1毫米到發送和接收光脈衝。

因為產生激光作用的機製涉及提高的原子或分子以高的激發狀態,以便產生所要求的粒子數反轉,這是顯而易見的某種形式的能量必須消耗到激光係統。 光子可以被用來提供所需的能量在被稱為光抽運的方法。 通過照射激光材料與光的適當波長的光,發射的原子或分子可以被提升到上部的能量級,從那裏再下降到亞穩能級,並隨後變成激發而發光。 幸運的是,在大多數激光器,用於泵浦光不具有特定波長的要求,這主要是因為激光可以具有多個上部的水平,都可以衰變到亞穩能級。 因此,廉價的光源發射寬波長範圍內,如白熾燈或閃光燈管,通常可以用於光學泵浦激光器。 這限製了激光效率的重要因素是,泵浦光的光子必須具有更高的能量(或等效的更短的波長)比激光光。

電泵浦是在氣體和半導體激光器通常用於激勵的另一種機製。 在氣體激光器,流過氣體的電流激發的原子和分子成必要的上能級開始腐爛,或衰變係,產生的激光發射。 有些氣體激光器通過一個恒定的電流通過氣體產生連續輸出,而其他人使用電流脈衝來產生脈衝激光輸出。 一些高功率激光器甚至使用導入的激勵氣體的電子束。

半導體激光器工作在一個非常不同的方式,而且還依賴於電電流,以產生必要的粒子數反轉。 在這些裝置中的反轉產生的載流子(電子和電子 - 空穴對)在半導體的異種區域之間的交界處的平麵的群體之間。 光發射的半導體激光器是通過從晶體切割端反饋(圖9)集中在結平麵。 芯片材料具有高的折射率,並且反映了足夠的光線返回到晶體來實現增益。 切割的麵也可以被拋光,以控製反射率。 通常情況下,晶體的一端被塗有反射材料,使得發射隻發生從單端,如圖所示9。 低得多的電勢和電流是必需的在半導體激光器相比,氣體激光器。

能量轉移的其他方式都不太常用功率激光躍遷。 核或化學反應可以被用於在一些激光器產生激發物種。 氣體激光器可使用不同的氣體的組合來進行激光加工。 在氦 - 氖激光,氦原子從即引起電輸入,然後將其轉移到存在的氖氣在非常接近的能級的氣體放電中獲取能量。 激光躍遷隨後發生的氖氣中,以產生激光發射。

激光本身效率低下。 能量必須被提供給激光器,以及一些是失去了在轉換到在激光光的形式更高度有序的能量。 如上所討論的,對於一個光學泵浦激光,激光輸出總是較長的波長比激發光。 在那段發生在三級和四級激光能量水平的變化會發生其他的能量損失。 下麵的初始勵磁到上層,激光躍遷自身可能僅釋放能量的一部分,特別是與其餘被輸給其他進程。 在一些係統中,具有高能量的激光過渡,大量的能量必須被消耗隻是為了提高激光的物種到合適的水平,遠高於基態。 激勵,無論是電子或光學手段,是不是100%的效率 - 能量是永遠不會完全被激光介質吸收。 所有這些主要因素,而一些輕微的不提到的,嚴重限製了激光的總效率。雖然最有效的半導體激光器和某些氣體激光器可以轉換幾乎10%的輸入能量為激光光線,典型的激光器具有1%或更低的總效率。

在自1960年以來幾十年中,激光已經從科幻小說的幻想,在實驗室研究的好奇心,在深奧的科學應用的價格昂貴,但非常有價值的工具,其目前的作用,作為日常工作的組成部分平常,比如閱讀雜貨價格或測量房間的牆紙。 二十世紀的重大科技成就任何實質性的名單將包括接近頂部的激光。 激光在當前生活的各個領域的普及程度可以通過,利用激光技術應用的範圍內最好的讚賞。 在此範圍內壯觀的結束是軍事上的應用,包括使用激光作為武器,以對抗可能的導彈攻擊防禦。 在另一端的日常活動,如播放音樂光盤和打印或複印紙張文件。 是激光指針,一旦花費數百美元作為廉價的鑰匙鏈配件出售,甚至木匠的水平和簡單的測量器件集成激光器。

在夢幻般的和普通之間,激光器被廣泛應用於醫學治療和手術,並在切割和焊接一切從用於服裝到鋼鐵,橡膠,並在汽車和家電的製造中使用塑料麵料。 從激光器的熱被利用於點焊金屬,以及在醫療過程一般細膩重新附加視網膜,已成為在人眼分離。 其他高度精密的醫療程序,如修複血管損傷和切割和熔化組織使用激光例行完成的。 全球電話通信的很大一部分都采用了光纜英裏發送脈衝激光信號,和文物,如古畫,往往是評估的缺陷,用激光的幫助下恢複進行。 隨著計算機,集成電路,衛星,激光技術似乎注定要在重要的增長在AG亚游集团的日常生活中不是夢想隻是一個短短的幾年前的方式。



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