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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 激光器(1)
发信站: 紫丁香 (Mon Mar 27 03:22:37 2000), 转信

    大家对于激光这个词并不陌生。激光唱机、激光视盘所提供的听觉享受，全息照
片给与我们的三维视觉效果，以及“死光”武器、星球大战计划都是人们津津乐道的
话题。但激光到底是什么东西?它是怎样产生的？它又有什么样的性质?这恐怕就没有
多少人了解了。
    光的本性
    很久以来，人们对光就进行了各种各样的研究。光到底是什么东西呢？这个问题
困扰了许多有才智之士。古希腊哲学家们认为光是高速运动的粒子流。凡是发光的物
体，例如太阳，都能发出这样的粒子流。当这些微小的粒子流接触到眼睛上时，就引
起了人们对光的感觉。
    对于光的研究在以后很长的年代里没有进展，直到伟大的科学家牛顿，才开创了
一个光学研究的新世纪。牛顿在他的工作室里，用三棱镜把白光分解为从红到紫的七
种色光。这是人类第一次看到光的奥妙。白光并不是单一的，而是几种不同色光的复
合。进一步的研究使牛顿提出著名的光微粒说：光是由极小的高速运动微粒组成的；
不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的质量最大，红光微粒的质量最小。利用这种
学说牛顿解释了光的折射、反射和上面描述的色散现象。
    微粒说合乎人们的日常直观心理要求。由于光是直线行进的，人们很容易相信光
是粒子流。而且由于牛顿的巨大声望，微粒说一时独领风骚。但在牛顿的同时代人中
亦有人大力批驳微粒说，荷兰人惠更斯(1629——1695)于1678年提出波动理论来解释
光的本性。他认为光的微粒理论无论解释光线可以相互交叉通过而互不影响，但这却
是波的基本性质。利用光的波动理论也很容易解释光的反射与折射现象。那么，到底
光是波还是粒子呢?
    到十九世纪初期，发现了光的干涉、绕射和偏振现象，这些行为只适合于光的波
动理论解释。同时，若根据微粒理论，光在水中的传播速度要大于光在空气中的传播
速度，而根据波动理论计算的结果则正好相反。在牛顿和惠更斯时期，人们还无法精
确测量光速，因此无法用实验判定两理论的正误。但到了十九世纪，科技水平和实验
技巧都大大发展，因此在1862年福科测得了光在水中的传播速度，证实了其小于光在
空气中的传播速度。这时光的微粒说基本上是彻底被放弃了。到1863年麦克斯韦发表
著名的电磁理论，揭示了光波其实是电磁波的一种，这时波动理论的最后的一个难题
——传播媒质问题也被解决了。按照传统的机械波理论，光振动是在弹性媒质中的一
种机构振动。由于光速极大，人们不得不臆造一种弹性极大但密度极小的媒质“以太
”，作为光传播的媒质而散布在宇宙空间。可是，任何实验都测不到以太的存在，而
假定它的存在却引起了许多麻烦。从而，“以太”成了波动理论之一大难题，是欲弃
之而不能的“鸡肋”。但麦克斯韦的理论告诉我们，电磁波的传播不需要媒质。变化
的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场。这样，变化电磁场的交替产生
就构成了电磁波由近及远的传播。因此，如果我们把光视为一种电磁波，则“以太”
难题就迎刃而解了，因为根本就不需要它，丢掉这块“鸡肋”一切就解决了。
    麦克斯韦理论完美地解释了当时已知的所有光学现象。但从十九世纪末起，却发
现了一系列令人困惑的新的实验结果。这些结果共同的特点是，他们无法用麦克斯韦
理论来解释。其中最典型的是光电效应实验。
                        图1
    如图(1)所示。电路中接一抽为真空的玻璃小球，内表面上涂有感光层(阴极K)。
阳极A可做成直线状或圆环形。当用光照射阴极K时，电路中有电流通过。这就说明，
在光照射下，有电子从阴极逸出，而在电场力作用下由阴极K移向阳极A形成电流。感
光层一般由银、锌等金属制成。像这种金属受到光的照射而放出电子的现象就称为光
电效应。
    光电效应实验使传统的光学理论受到严峻考验。伟大的爱因斯坦于1905年提出光
量子说来解释该实验。想法是革命性的，即认为光是一束束以光速运动的粒子流，每
一个光粒子都携带着一份能量。光量子说受到普朗克量子说的很大影响。普朗克在解
释黑体辐射问题时认为光在发射和吸收过程中具有粒子性。爱因斯坦则进一步认为光
在传播过程中也具有粒子性。
    光一方面具有波动的性质，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性质，如光
电效应等。这两方面的综合说明光不是单纯的波，也不是单纯的粒子，而是具有波粒
二象性的物质。这是认识上的不断加深而得到的结论。应该注意这也还不是最后的答
案。对于光的本性，虽然经过这么多年的探索，我们所知道的也的确是太少了。光到
底是什么?是在某一时刻表现为粒子，而在另一时刻表现为波?还是完全不同于我们现
在所知的某种物质?这些问题也是当今的科学家们在苦苦思索的问题。
    激光的理论基础
    直到二十世纪初，人们才在实验的基础上揭开了原子结构的奥秘。原子结构像是
一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停地旋转，同时也不停地自转。
原子核集中了原子的绝大部分质量，但却只占有很小的空间。原子核带正电，电子带
负电，一般原子核与电子所携带的正负电荷数量相等，因此对外呈中性。电子绕核旋
转具有一定的动能，同时负电荷的电子与正电荷的原子核之间存在着一定的位能。所
有电子的动能与位能之和就是整个原子的能量，称为原子的内能。
    这种原子模型是1911年由英国科学家卢瑟福提出的。紧接着，1913年，丹麦物理
学家玻尔提出了原子只能处于由不连续能级表征的一系列状态——定态上，这与宏观
世界中的情况大不相同。人造卫星绕地球旋转时，可以位于任意的轨道上，也就是说
可具有任意的连续变化的能量。而电子在绕核运动时，却只能处于某些特定的轨道上。
从而原子的内能不能连续的改变，而是一级一级分开的，这样的级就称为原子的能级。
    不同的原子具有不同的能级结构。一个原子中最低的能级称为基态，其余的称为
高能态，或激发态。原子从高能态E2过渡到低能态E1时，会向外发射某个频率为
v的辐射，满足普朗克公式：
    hv=E2-E1
    式中h为普朗克常数。反之，该原子吸收频率为v的辐射时，就会从低能态E1过渡
到高能态E2。
    爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。该文提出
了受激光辐射理论。而这正是激光理论的核心基础。因此爱因斯坦被认为是激光的理
论之父。在这篇论文中，爱因斯坦区分了三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。
前两个概念是已为人所知的。受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到
高能态；自发辐射是指高能态的原子自发地辐射出光子并迁移至低能态。这种辐射的
特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间
也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差，方向散
乱，而受激辐射则相反。它是指处于高能级的原子在光子的“刺激”或者“感应”下，
跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。这好比清晨公鸡打鸣，一
个公鸡叫起来，其他的公鸡受到“刺激”也会发出同样的声音。受激辐射的最大特点
是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具
有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，
一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。这正是产
生激光的基本过程。
    爱因斯坦的理论在当初只是为了解决黑体辐射问题而提出的假设。但是几十年后
却成了打开激光宝库的金钥匙。
    那么，激光是怎样产生的？在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处
于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也
可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自
发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。
    如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射
产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对
于高低能级的光子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和
低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、
低能级的原子数量之比。若位于高能级的原子远远多于位于低能级的原子，我们就得
到被高度放大的光。但是，在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从
玻尔兹曼分布率。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况
下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。
    所谓非热平衡体系，是指热运动并没有达到平衡、整个体系不存在一个恒定温度
的原子体系。这种体系的原子数目按能级的分布不服从玻尔兹曼分布率，位于高能级
上的原子数目有可能大于位于低能级上的原子数目。这种状态称为“粒子数反转”。
    如何才能达到粒子数反转状态呢?这需要利用激活媒质。所谓激活媒质(也称为放
大媒质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气
体，也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。
要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。
    在现代的激光器中，第一台激光器红宝石激光器是三能级系统，也有一些激光器
采用了四能级系统，如钕玻璃激光器。

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