激光

title: 历史.
content: 爱因斯坦在1916年首先描述了原子的受激辐射与自发辐射的关系。在此之后人们很长时间都在猜测,这个现象可否被用来加强光场,因为前提是介质必须存在着群数反转(或译居量反转)的状态。在一个纯粹的二级系统中,基于热力学的分配函数,这是不可能的达到的。故人们首先想到用三级系统,而且计算证实了辐射的稳定性。  1958年,美国科学家查尔斯·汤斯和阿瑟·肖洛发现了一种神奇的现象:当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象,他们提出了"激光原理",即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时,都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文,并分别获得1964年和1981年的诺贝尔物理学奖。  肖洛和汤斯的研究成果发表之后,各国科学家纷纷提出各种实验方案,但都未获成功。  1960年5月16日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。他的方案是,利用一个高强闪光灯管来刺激红宝石。红宝石在物理上是一种掺有铬原子的刚玉,当红宝石受到刺激时,就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔,使红光可以从这个孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,这称为红宝石激光。当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。  半导体激光器的发现:前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是:尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。  在1980年代后期,半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能,这些在小功率的CD和DVD光驱和光纤数据线中得到使用。  在1990年代,高功率的激光激发原理得到实现,比如片状激光和光纤激光。后者由于新的加工技术和20kW的高功率不断地被应用到材料加工领域中,从而部分的替代了CO激光和Nd:YAG激光。  2000年代,激光的非线性得到利用,来制造X射线脉冲(来跟踪原子内部的过程);另一方面,蓝光和紫外线激光二极管已经开始进入市场。在2009年,中国研制出一种名为氟代硼铍酸钾(KBBF)的晶体,可用于激发深紫外线激光,一旦成功应用,可令每片光盘的容量超过1TB,亦使半导体上可储存的电路密度大幅提高。  现在,激光器已成为工业、通讯、科学及电子娱乐中的重要设备。
title: “激光”一词的来历.
content: 1960年7月7日,美国科学家梅曼发明了第一台激光器,1961年,中国大陆第一台激光器在中国科学院长春光机所由王之江等研制成功。但当时中国并没有激光一词,中国科学界对它的英文翻译多种多样,例如“光的受激辐射放大器”、“光量子放大器”,这些名字显然太长,不利于称呼。还有一些音译,如“莱塞”或者“激光”。Laser 一字其实是"light amplification by stimulated emission of radiation"的首字母合体。  命名的混乱给科学界、教育界带来极大的不便,1964年冬天,中国全国第三届光量子放大器学术报告会在上海召开,这次会议的一项重要议程,就是研究并通过对几个专有名词的统一翻译和命名。会议召开前,《光受激发射情报》杂志编辑部给中国著名科学家钱学森写了一封信,请他给Laser取一个中文名字。不久,钱学森就回信给编辑部,建议命名为“激光”。这一名字表现出光的本质、又描述了这类光和传统光的不同,即“激”体现了受激发生、激发态等意义。这一名称提交到第三次光量子放大器学术报告会讨论,受到了与会者的一致赞同。因此中国大陆对Laser这一年轻的新生事物有了统一而有意义的汉语名称。  在港澳地区“激光”和“激光”两词都通用,而台湾一开始便使用“激光”这一翻译,并不常使用“激光”这个用语。
title: 种类和工作原则.
content: 激光器的分类有很多方式,例如按照工作状态、工作物质的种类、输出波长的波段、输出激光波长是否可以调节、激光器的用途等特点分类
title: 按工作物质分.
content: 根据产生激光的媒质,可以把激光器分为液体激光器、气体激光器和固体激光器等。而现在最常见的半导体激光器算是固体激光器的一种。
title: 气体激光器.
content: 介质是气体的激光器,此种激光器通过放电得到激发。  化学激发激光器是一种特殊的形式。激发通过媒介中的化学反应来进行。媒介是一次性的,使用后就被消耗掉了。对于高功率的条件及军事领域是非常理想的。
title: 固体激光器.
content: 介质是固体的激光器,此种工作物质通过灯、半导体激光器阵列、其他激光器光照泵浦得到激发。热透镜效应是大多数固体激光器的一项缺陷。
title: 半导体激光器.
content: 半导体激光器是电驱动的二极管。施加电流产生的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用的光增益。在晶体的解理面端点处的反射形成光学谐振腔,通常是利用两种不同的材料来形成共振腔,尽管有些设计是把谐振腔放在半导体晶体的外面。  商业激光二极管的发射波长是从375nm到3500nm。低到中等功率激光二极管被应用于激光打印机、CD/DVD播放机和激光指示器。应用于工业切割焊接,工业激光二极管的最高功率已经达到了10 kW (70dBm)。
title: 染料激光器.
content: 染料激光器使用有机染料作为增益介质。
title: 自由电子激光器.
content: 自由电子激光器(Free electron lasers),或FEL,是以自由电子为工作物质,将高能电子束的能量转换成激光的装置,具有短波长、大功率、高效率和波长可调节的特性,波长从微波,到太赫兹辐射和红外线,到可见光谱,到软X-射线。
title: Bio laser.
content: 活细胞可以基因改造工程产生绿色萤光蛋白(GFP)。绿色萤光蛋白(GFP)被用作激光的“增益介质”,光放大就发生在GFP。
title: 构成.
content: 激光器大多由激发系统、激光介质和光学谐振腔三部分组成。激发系统就是产生光能、电能或化学能的装置。目前使用的激发手段,主要有光照、通电或化学反应等。激光介质是能够产生激光的物质,如红宝石、钕玻璃、氖气、半导体、有机染料等。光学谐振腔的作用,是用来放大加强输出激光的亮度(强度),调节和选定激光的波长和方向等。
title: 应用.
content: 激光应用很广泛,主要有光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光唱片、激光扫描、激光灭蚊器等。  第一次在大众日常生活中使用激光是超市条码扫描仪,于1974年推出。光盘在1978年推出,是包括激光的第一个成功的消费产品,但光盘播放器是第一个装备有激光器的常见设备。紧接着,在1982年开始出现激光打印机。  一些其他用途有:  2004年,不包括二极管激光器,约有131,000个激光器被售出,价值为21.9亿美元。同年,共售出约7.33亿二极管激光器,价值为32亿美元。
title: 安全性.
content: 即使是第1级的激光也被认为有潜在性的危险。西奥多·梅曼创造的第一个激光器只有“吉列”的功率,它只能灼热吉列刮胡刀的刀片。但是,几毫瓦的低功率照射,都足以危害到人眼的视力。如果该激光的波长在眼角膜和透镜可以良好聚焦在视网膜的范围内,就意味着这种相干性低的发散的激光会被眼睛聚焦在视网膜上极小的区域,只要几秒钟或更短的时间,就会造成视网膜局部的烧灼和永久性的伤害,有机会引致视网膜穿洞(网膜出现裂孔)及严重情况出现视网膜脱落。  激光器通常都会标示有着安全等级编号的激光警示标签:  这种标示的功率是针对可见光和连续波长的激光,对脉冲激光和不可见光激光还有其它适用的限制。对使用第3B级和第4级激光工作的人,还需要可以吸收特定波长光的护目镜保护他们眼睛的安全。  某些波长超过1.4 μm的红外线激光通常被归类为对“眼睛安全”的。这是因为水分子的内在分子震动对这一波段附近的频谱有着强烈的吸收,因此这些波长的激光在通过眼角膜时会被稀释,完全没有办法残留的光线会被透镜聚焦到达视网膜。但是"眼睛安全"的标签可能会造成误导,因为它只适用于低功率的连续光束,任何高功率或有Q-断路器的激光,在这种波长一样可以烧灼眼角膜,造成眼睛严重的损伤。

Summary: ,是“通过受激辐射产生的光放大”(英语:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的缩写。指通过刺激原子导致电子跃迁释放辐射能量而产生的具有同调性(Coherence)的增强光子束。其特点包括发散度极小、亮度(功率)很高、单色性好、相干性好等。产生激光需要“激发来源”、“增益介质”、“共振结构”这三个要素。

Laser: A laser is a device that emits light through a process of optical amplification based on the stimulated emission of electromagnetic radiation. The term "laser" originated as an acronym for "light amplification by stimulated emission of radiation". The first laser was built in 1960 by Theodore H. Maiman at Hughes Research Laboratories, based on theoretical work by Charles Hard Townes and Arthur Leonard Schawlow.