当激光的概念首次被展示时，它被戏称为“寻求问题的解决方案”。没有人确定它们的潜力和预期用途，就像任何基础研究的新成果一样。可能需要几十年的时间，一项重要的发现才能有丰硕的商业应用，为我们的经济健康和繁荣做出贡献。但是，一旦激光从一个好奇的实验室发射到商业轨道，它们就被证明是许多设备和工艺的基本组成部分。

微波激射器之前激光。本质上，脉泽是电磁辐射的放大过程。这一过程首先由汤斯在微波区域证明，他后来预测了在更常见的可见区域实现这一效应的可能性。它们最初被命名为“光脉泽”，由戈登·古尔德命名为激光。脉泽是微波受激辐射放大的缩写，激光因此成为受激辐射光放大。

激光在任何现代家庭中都有。我们在电脑上使用的激光打印机，或者我们用来娱乐的CD和DVD播放机都含有激光源。这篇文章讨论的激光的特殊特性允许许多设备的功能。事实上，激光的影响已经渗透到人类感兴趣的大多数领域。例如，在娱乐剧院、音乐厅和灯光表演的迷幻灯光效果是用激光装饰的。

在人类基因组计划中，DNA测序机使用带有荧光标记的检测系统，这种检测系统依赖于激光的有效性。在太空计划和天文学中，激光束高度准直的性质产生了精确的测量，将激光束从一个星球定向到太空，反之亦然。其导弹精确瞄准的军事应用是最近的历史，而虚构的雄心勃勃的《星球大战》计划可能随时会复活。在医学上，激光能将能量照射到显微镜下的局部区域，这对修复脱落的视网膜是一种福音。这些壮观的全息立体图片是激光技术的贡献。通过核聚变实现的清洁能源在很大程度上依赖激光在十亿分之一秒内在数百万度的温度下聚变氢同位素。

光谱学

激光更显著的作用是在光谱学领域，由于其作为研究工具的多面通用性，该领域出现了复兴。本文充分利用了激光作为光纯尖相干高能量源的特性。激光可以证明非线性光学定律的存在，这只有在它们所携带的高强度下才可能实现。因此，一些特殊的非对称材料可以通过二次谐波产生的过程与激光器188金宝搏bet官网相互作用，发射出波长减半的光。激光在未来的一种可实现的应用是通过光纤将电话线、电视台、电台和世界上所有计算机所携带的所有信息汇集在一束激光中，并将其传输出去未来的计算机可能使用显微激光而不是电脉冲。如果有足够的资金和时间投入其中，现在存在于小说领域的许多关于激光的奇迹般的应用将会实现。

任何现代油墨实验室都有粒度分布设备，通过激光束将光散射原理物化，可以提供色散颜料粒度的精确信息。这是除了其他杂物的用途，在一些通用的电器。

激光的膨胀(受激辐射的光放大)本身就具有重要的意义。本质上，它是光的放大。放大是指光信号强度的放大。所涉及的方法是受激发射。要理解受激发射，我们必须知道什么是正常发射，什么是自发发射。

光是电磁辐射，从字面上看，它是一种传播波，电场和磁场在其传播方向上以一定的频率振动一致地相互垂直移动。在量子理论中，光包含被称为量子的能量包，其能量E与振动频率u相关，即E = hu，其中h是普朗克常数，值为6.6 x 10-27尔格。秒。这种革命性的关系改变了经典物理学的外观，它起源于Kirchoff和Rayleigh/Jeans对黑体谱密度参数的发射研究，并在1900年被普朗克修正。普朗克将量子的能量与他在基本热力学基础上的研究中的频率联系起来，在基本热力学中，他结合玻尔兹曼的统计方法，得到了两个相似的表达式，其中一个方程中包含E，另一个方程中包含hu在科学史上具有讽刺意味的是，普朗克本人因为这些启示的启示录性质而对发表这些新奇的结果犹豫不决。

188金宝搏bet官网材料有规律地吸收光线，吸收过程在许多情况下是颜色的原因。在吸收过程中，光量子中的能量(称为光子)被转移到分子中，分子反过来利用这种能量激发分子进入一个更高的能态。这种能量，取决于分子中的能级，根据量子理论分布为旋转能级、振动能级和电子能级。旋转跃迁所需的能量最低，这是从微波区获得的;振动跃迁需要更多的能量，对应于红外区域;电子跃迁需要更大的能量，并通过吸收可见光和紫外线发生。在更高的能量下，如x射线和g射线，吸收分子的反应是击除一个电子并使其电离。

让我们把注意力集中在可见光或近紫外光区导致电子跃迁的吸收上。在这一区域吸收光形成的激发态分子是不稳定的，其寿命通常在纳秒或更长的范围内。分子通过一个叫做自发发射的过程损失了一部分能量，在这个过程中能量以更高波长的光的形式发射出去。我们所熟悉的荧光和磷光过程是通过自发发射发生的。这里我们忽略了非辐射过程，其中吸收的一部分能量以热的形式散去。

受激发射

下面是受激发射。考虑准备发射的分子的激发态。如果我们用与其发射波长相对应的光照射这个激发态，激发态可能会与醒目的光发出一致的光。输出光将具有特殊的特性。这种过程最早是由爱因斯坦从理论上假设的，称为受激发射。本质上，处于较高能级的原子在入射光子的刺激或强迫下放弃其能量而下降到较低能级。光子必须有适当的能量，对应于原始状态和较低能量状态之间的能量差。这个过程的结果是，一个光子与原子系统相互作用，产生两个光子。两个光子的能量相同，运动方向相同。能量从原子系统中提取出来，并以相同频率的额外光的形式出现。 The original light is still present and one has amplified the light intensity in the stimulated emission process. Figure 1 schematically depicts the absorption, spontaneous emission and stimulated emission processes.

激光作用采用受激发射原理。激光过程需要满足三个重要的条件:一个能维持合理激发态种群的活性介质，一个能产生激发态种群良好的激发源，以及一个叫做谐振腔的结构，通过多通道光提供反馈，启动被激发发射。

活性介质应支持维持激光作用的适当能量水平，激发态的分子数量应超过所需的数量或数量。为此，激发态总体应超过由玻尔兹曼态分布定律给出的在给定温度下的正常基态总体。需要一个能量源来实现激发态总体。这样的过程被称为种群反转，是由外部源的抽水作用引起的。如果该介质已达到所需的种群反转，则称为活性介质。活性介质可以是气体、液体或固体，因此我们有气体、液体或固体激光器。支持激光作用的能级可能包括两能级、三能级或四能级，因此我们有两能级、三能级或四能级激光器。泵浦源可以是闪光灯中的高强度光，也可以是放电(光泵和电泵)。

因此，当光子撞击处于激发态的分子或原子时，就会发生受激发射。为此，介质内产生的光子的正反馈是必不可少的。在通常的激光排列中，这是通过在激光介质的两端放置两个反射镜来实现的。一面镜子将是高度反射，另一面将是部分反射，以允许一些辐射被利用。覆盖激光介质和反射镜的区域称为激光腔。激光腔的合理布置提供了激光作用。激光器的基本部件如图2所示。

激光之所以受到欢迎，主要是因为与普通光源相比，它具有以下特殊的特性。它们是:(1)小束宽:即使经过很长的距离，激光也可以获得以毫弧度为数量级的小束宽，只有很少的发散或扩散。由于激光束具有高度准直的特性，因此在阿波罗太空计划期间，从地球发送到月球表面的反射器上的红宝石激光束的反射可以在美国探测到。即使在经过24万英里的距离到达月球后，激光束也只有大约1000码宽。这种高度准直的激光束在建筑行业的各种准直工作中，用于跟踪目标和污染监测。

高强度

与传统光源相比，激光是非常强大、明亮的光源，携带非常高的能量。这是力量分布的小立体角的表现。这种特性的一个明显应用是在切割和焊接中。二氧化碳激光器和Nd-YAG激光器的功率达到了每平方米数百吉瓦。它们适用于把皮革切成钢。人工智能是计算机技术的一个分支，它以机器人技术与激光结合的形式在切割和焊接工具方面发挥了巨大的作用。甚至连分离视网膜的精细“点焊”技术也在几十年前就已经实现了。早在1964年的詹姆斯·邦德电影中，激光就已经作为一种实用设备被展示出来了。在这部电影中，激光被用来进行彻底的额叶切断术，这比这种手术成为现实还要早很多年。

一致性

在普通光源中，单个光子是不相的，它们被称为混沌的。但受激发射的本质产生的光子是相的或相干的。相干性可以比作一群光子有序的行进，而不是混沌的运动。相干性与光的电场强度有关(空间相干性)，与时间有关(时间相干性)。在前者中，将观察到均匀电场作为距离的函数，在后者中，将观察到均匀频率作为时间的函数。相干最重要的应用是在全息术中，可以构建物体的三维图像。

单色性

白光是多色的——它包含许多波长，正如在彩色光谱中观察到的那样。但激光的特点是光学纯度，这意味着可以利用单一波长。这是可能的，因为激光跃迁，原则上，涉及明确的能级。这一特性在高分辨率光谱学中有很好的应用，可用于观察分子的特定跃迁。一个实际的应用是在核工业中分离同位素，利用铀的可裂变同位素235U和不可裂变同位素238U在能级上的细微差别，将它们分离出来。

激光有连续源和脉冲源两种，都有多种用途。锁模和q开关是获得高重复率激光脉冲的两个重要步骤。飞秒(万亿分之一秒，或10-15)范围内的激光脉冲可以产生，它们在化学研究的前沿领域得到应用。现有的激光器从微小到巨大。

熟悉基于活性介质状态而属于不同类别的激光器的例子是有指导意义的。以下是固态、液态和气态激光器的例子。

固体激光器

1960年，Maiman5号首次展示了固态激光器，其活性介质为红宝石晶体(在Al2O3晶格中含有0.05%的Cr2O3)，铬离子为激光中心，提供了一个三能级体系。直径3- 25mm，长度可达20cm的红宝石棒被闪光灯激发，激光在694 nm处发射。这种激光器的正常工作产生脉冲，但也可以获得连续波。

另一种重要的固态激光器是基于Nd3+离子的四能级能态，由玻璃或钇铝石榴石(YAG, Y3Al5O12)等基质承载。Nd:YAG激光器非常常见，其发射发生在1.06 mm的红外区域。YAG棒长几厘米，含Nd3+重量约0.5- 2.0%。连续波和脉冲操作都是可能的，脉冲能量约1000兆焦是常见的。这种激光之所以突出，是因为通过二次谐波产生的倍频过程，可以在533 nm的可见区域和355和266 nm的紫外区域获得激光，脉冲能量分别为350、175和75 mJ。它们对应于1060 nm处基频的第二、第三和第四谐波，在倍频非对称晶体中产生。

激光器属于二极管激光器(半导体激光器)和f中心激光器是固态激光器的另一个例子。

液态激光

染料激光器是具有液体活性介质的激光器的例子。实际上，一种叫做激光染料的化合物起着活性介质的作用。染料溶解在甲醇或二恶烷等溶剂中。这里利用了染料的荧光特性。当染料被波长与S0态(基态)和S1态(第一激发态)之间的能量差相对应的光照射时，一些基态分子被提升到S1能级。激光发射发生在较低的S1状态到S0状态之间，因此激光将在不同于泵浦光的波长下工作。染料应具有理想的光物理性能，如高荧光量子产率和低系统间交叉效率通常激光只提供单一波长或有限数量的线。但是染料激光器可以覆盖一个波长范围，因为染料的荧光发射是在一个范围内扩散的。因此，它们可以在其他激光器不能工作的区域提供激光。 The whole wavelength range can thus be tuned using different classes of dyes and they operate in the whole visible region and some portions of infrared.

气态激光

He-Ne激光器是气体激光活性介质的一个例子。放电激发氦原子，氦原子通过碰撞失活机制将能量转移到氖原子。氖的发射是这种激光作用的基础。红色He-Ne激光以632.8纳米的波长发射，现在是如此普遍，以至于在超市的条形码阅读器、其他光学扫描设备或研讨会演讲者的指向光标束中，没有人会错过它。其他的例子还有氩激光器、氮激光器、二氧化碳激光器、铜蒸气激光器和准分子激光器，它们都在工业和基础研究中有应用。值得注意的是，第一个脉泽是由氨分子产生的，其能级之间的能量差对应于微波区域，尽管种群反演是通过完全不同的过程实现的。

结论

现在激光脉冲可以产生极短的脉冲宽度，在飞秒范围内。为此目的，一种非常稳定和强大的激光系统采用了由连续激光泵浦的钛(Ti):蓝宝石系统，该系统产生的激光脉冲持续时间约为50飞秒，重复频率为80 MHz，脉冲能量约为20 nJ。未来的计算机将受到激光对随机存取存储器(RAM)的影响。IBM公司生产的砷化镓芯片含有世界上最小的激光器，其半导体圆柱体的厚度约为人类头发的十分之一;1角硬币大小的芯片可以容纳100万个激光

激光，本质上是光(在电磁辐射的意义上)，正在彻底改变光化学的分支，光量子与物质的相互作用可以用浓厚的兴趣来研究，揭示了这一化学分支的复杂机制和早期事件。激光的几种流行而深奥的应用尚未出现。新材料和新概188金宝搏bet官网念正被应用于未来微观和宏观激光器的开发。

参考文献

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