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五光十色的激光材料

作者:不详来源:网络浏览:2007-08-22 07:14:04

一个原子吸收能量之后,从低能态到高能态的过程称为激发过程。反之,处于激发状态的原子是不稳定的,总是自发地回到低能态,同时有光子发出。这一过程叫“自发辐射”。如果原子吸收外界光能而跃迁到高能级,而受外界光感应产生辐射又回到低能态,这一过程叫“受激发射”。但是,只有采用一种办法使物质中大量粒子同时处于激发态,并通过外界光感应,使所有处于激发态的粒子几乎同步完成受激辐射回到低能态,这时物质才能发出一柬强大的光束来,称为“激光”。打个比方,激光的产生过程好比用水泵将水抽到水塔顶部,然后突然打开闸门,这时水就会以强大的力量喷射而出。当然,激光的产生过程要远比上面的例子复杂得多。

在固体激光器中,能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。激光工作物质由基质和激活离子两部分组成,基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境,而由激活离子完成激光产生过程。常用的激活离子主要是过渡金属离子,如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子,如钕离子等。

固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质(如红宝石激光晶体)和反射腔镜片组成,反射镜表面镀有介质膜,一片为全反射镜,另一片为部分反射镜。掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。现在已研制成功了数十种可供应用的激光晶体。当采用不同的激活离子、不同的基质材料和不同波长的光激励,会发射出各种不同波长的激光。

早期的固体激光器都是用闪光灯或其他激光器,来完成激光工作物质内原子的受激辐射过程的,这基本上是由一种形式的光能转化为激光能量的过程。如何把电能直接转化为激光的能量,一直是人们梦寐以求的事情。近年来,科学家成功地研制出了半导体激光器,一旦接通电源,便会发出激光。选用不同的半导体材料和不同制造工艺可以制造出功率不同、发射不同波长激光的激光器。半导体激光器的出现,大大减少了激光器的体积,米粒大的一个半导体芯片,接上电源,便会发射出神奇的激光。目前,半导体激光器已在许多方面得到了广泛的应用。


  激光的特点是高度的方向性和单色性。所谓方向性,就是激光的发散角很小。从中学课本中大家知道,放在凹面镜焦点上由点光源发出的各个方向的光,经凹面镜反射之后可变成平行光,手电筒和探照灯就是按照这个原理制造的。但是,手电筒发出的光在几十米之外,光斑就会很大,亮度就变得很小了;探照灯的强光可把数公里外的物体(如飞机)发现,但如果距离更远的话,由于光束的发散、能量的分散,光束变得越来越粗,亮度越来越小,最后便什么也看不见了。激光的发散角极小,即使把一束激光从地球发射到月球上,也仍是一个变化不大、清晰可辨的明亮光斑。所谓单色性,就是光束波长单一。而普通的灯光或日光是由许许多多波长的光组合而成的,即使是利用各种方法(如通过滤光片只让某种波长的光通过)获得的单色光,其单色性也并不好,往往是由许多相近波长的光混合而成的。激光的单色性可以说是最好的。例如,掺钕钇铝石榴石晶体发出的是波长1.064微米的红外激光,而红宝石激光器发射的是波长0.6943微米的红光。


  由于激光具有高度的方向性和单色性,我们可以通过光学手段使有限的激光能量在时间上和空间上高度集中,从而使激光具有高亮度。例如,一个小功率的氦-氖气体激光器,其亮度可为太阳光的100倍;而Q开关红宝石激光器发出的激光的亮度比太阳光要高出几亿倍!

激光自1960年诞生以来,已在国民经济的各个部门得到了广泛的应用,发挥了重大的作用。现仅举数例加以介绍:激光加工利用激光的高能量在机械加工业的许多方面显示其神通。例如,以前在宝石轴承上打孔是一件十分困难的事情,因为宝石实在是太硬了。现在用脉冲红宝石激光器打孔真是易于反掌,每台激光器每分钟可以给近百个宝石轴承打上孔,且每个孔都保证圆滑而均匀。这样一来,工作效率比原来人工打孔不知提高了多少倍。另外,用激光切割或焊接钢板,甚至用激光剪裁服装等,都可大大提高工效和加工精度。

激光测距光速是已知的,通过计算激光照射到被测物体表面再返回来所用的时间,很容易知道物体之间的距离。所以,利用激光可以精确测量出从地球到月球之间的距离,从地面到云层或飞机的距离。现在许多军用飞机、大炮、坦克,甚至步枪都装上了激光测距仪,这样,射击精度便大为提高。

激光武器是利用人的眼睛对绿色光特别敏感,在战争中如果发射出一束绿色激光,可使敌方作战人员致盲而丧失战斗力。当然,如果戴上激光防护眼镜,就可以避免这种绿色激光对眼睛的伤害。功率更强大的激光还可用来摧毁敌方的飞机和导弹,是未来战争中的重要武器。

激光医疗科学家和医生的研究表明,激光对若干种疾病有明显的疗效,激光手术刀作精密的眼科手术方便极了。

激光通信、光通信是本世纪的伟大发明之一。几根细如发丝的光纤代替了昂贵笨重的电缆,并且可以传递更多的信息量,真是棒极了!

上述仅列出了激光的部分应用领域,其实激光应用的范围要大多了,激光育种、激光准直、激光致导、激光影碟。激光唱机……激光离我们的生活越来越近了。

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