激光原理及其应用
摘要：本文主要介绍激光的物理学基本理论和原理，激光器的结构、振荡条件，还介绍了激光的模和激光振荡模的概念，通过调Q和Q开关技术提高激光器输出功率和压缩激光脉冲宽度，通过锁模技术形成脉冲宽度极窄、功率极高的激光。然后介绍了激光技术特性以及在实践中的应用：激光精密计量、激光信息处理、强激光的应用、激光医学、激光生物应用、激光武器、科学实验应用。
Abstract: This paper introduces the basic theory of laser physics and principles, the structure of laser oscillation condition, also introduced the laser modules and laser oscillation mode of the concept of a Q-and Q-switching technology to improve laser output power and laser pulse width compression by clamping techniques to form a very narrow pulse width, high power laser. Then introduced laser technology features and applications in practice: laser precision measurement, laser information processing, laser applications, laser medicine, biological applications of laser, laser weapons, scientific experiments application.
激光是二十世纪六十年代出现的一种新型光源——激光器发出的光。激光一词的本意是受激辐射放大的光。1960年美国休斯研究实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器，1961年9月中国科学院长春光学精密机械研究所制成了我国第一台激光器。此后，在激光器的研制、激光技术的应用以及激光理论方面都取得了巨大进展，并带动了一些新型学科的发展，如全息光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等，激光还与当今的重点产业——信息产业密切相关。
与激光有关的诺贝尔物理学奖获得者有：1964年，美国汤斯、原苏联巴索夫和普洛霍罗夫因在激光理论上的贡献而获奖。1981年美国肖洛因发展激光光谱学及对激光应用作出的贡献、美国布隆伯根因开拓与激光密切相关的非线性光学共同获奖。1997年美国朱棣文、科恩和飞利浦因首创用激光束将原子冷却到极低温度的方法共同获奖。
第一章：激光的原理及其相关技术 第一节：激光原理
一．物质与光相互作用的规律
光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态（或者简单地表述为处在某一个能级上）。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为=△E/h（h为普朗克常量）。
1. 受激吸收（简称吸收）
处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。
2. 自发辐射
粒子受到激发而进入的高能态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，既使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级（E2）向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率 =（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光。
3. 受激辐射、激光
1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。
可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。
二．粒子数反转
爱因斯坦1917提出受激辐射，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是，普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。
当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。
理论研究表明，任何工作物质，在适当的激励条件下，可在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转。 第二节：激光器的构造
激光器一般包括三个部分。 1、激光工作介质：
激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。但从激光器输出的激光性能来考虑，对使用的工作物质是有一定的要求的，基本要求是（1）光学性质均匀，光学透明性良好，且行性能稳定；（2）有能级寿命比较长的能级（称为亚稳态能级）;(3)有比较高的量子效率。 2、泵浦源
为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
3、共振腔
有了合适的工作物质和泵浦源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。
下面以红宝石激光器为例来说明激光的形成。工作物质是一根红宝石棒。红宝石是掺入少许3价铬离子的三氧化二铝晶体。实际是掺入质量比约为0.05%的氧化铬。由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石呈粉红色。1960年梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径0.8cm、长约8cm的圆棒。两端面是一对平行平面镜，一端镀上全反射膜，一端有10%的透射率，可让激光透出。
红宝石激光器中，用高压氙灯作“泵浦”，利用氙灯所发出的强光激发铬离子到达激发态e3，被抽运到e3上的电子很快（～10－8s）通过无辐射跃迁到e2。e2是亚稳态能级，e2到e1的自发辐射几率很小，寿命长达10-3s，即允许粒子停留较长时间。于是，粒子就在e2上积聚起来，实现e2和e1两能级上的粒子
数反转。从e2到e1受激发射的波长是694.3nm的红色激光。由脉冲氙灯得到的是脉冲激光，每一个光脉冲的持续时间不到1ms，每个光脉冲能量在10j以上；也就是说，每个脉冲激光的功率可超过10kw的数量级。注意到上述铬离子从激发到发出激光的过程中涉及到三条能级，故称为三能级系统。由于在三能级系统中，下能级e1是基态，通常情况下积聚大量原子，所以要达到粒子数反转，要有相当强的激励才行。
第三节：激光的振荡条件
激光器要满足所谓振荡条件才有激光输出．工作物质受到泵浦后，受激辐射跃迁过程增加了光功率，但与此同时，也存在减少光功率的因素．比如，从共振腔一端反射镜透射出去的，由于衍射效应而逸出共振腔的，还有因为工作物质内存在或多或少的光学散射颗粒而引起散射损失的、工作物质内杂质原子吸收掉的等等．显然，只有当由受激辐射跃迁产生的光功率超过在共振腔内损失掉的量，或者说，光辐射的增益超过它的损耗因子，腔内的受激辐射光强度才会越来越强，最后形成激光振荡．
假定由工作物质提供的激光增益系数为G（v），光辐射沿工作物质传播长度l之后，其强度将增大 exp[G（v）l]倍．又假定共振腔的光学衍射、工作物质的光学吸收和光学散射造成的损失都很小，可略去不计，只考虑共振腔两块反射镜的透射损失．若两块反射镜的反射率分别为R1、R2，则光辐射在共振腔内传播
一趟，单位长度上的平均损失因子是（1-R）/1（式中R=R1R2,1是两块反射镜间的距离），那么激光器发生激光振荡的条件是
exp[G（v）l-（1-R）]≥1
亦即要求 G（V）1>(1-R)
相应地，满足条件（3.9）时，对工作物质内的能级粒子数反转密度（N2-N1）以及需要的泵浦能量（或功率）也有要求，最低的要求量分别称为阈值粒子数反转密度和阈值泵浦能量（功率）．对于谱线中心这个波长，阈值粒子数反转密度△Nt由下式计算：
式中τf是激光跃迁上能级的寿命，△v是增益谱线宽度．发射波长 λ=632.8nm的He-Ne激光器（氖原子发射这个波长的能级的平均寿命τf～10s，谱线宽度△v～1.5×109Hz．假定共振腔两块反射镜的反射率R1R2~0.98,放电管长
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度1=10cm），其阀值粒子粒反转密度△Nt=1.9×10cm．固体激光工作物质中激活粒
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子的能级寿命τf比较长，谱线宽度△v也比较宽，所以相应的△Nt比较大． 如果考虑工作物质杂质原子的吸收，阈值粒子数反转密度△Nt由下式计算
式中的α为光学吸收系数． 第四节：模和激光振荡模
模（或叫波型）是激光理论中的一个基本概念．从光的波动观点看，模是指电磁波动的一种类型，实际上也就是存在于空腔中各种不同频率的驻波；从光的粒子观点看，模是代表了可以相互区分的光子态．在各向同性的空间内，单位体积的模数目N为
中v是光辐射频率，c是光速，△v是光辐射的频率范围．在光频区，v～1014Hz，△v～1010Hz，由式（3.12）算得在1cm3体积内的模数目为108．在激光器所用的开放式共振腔内，模的数目大大减少，而满足激光振荡条件的模数目就更少了．满足激光振荡条件的稳态电磁场分布称为激光振荡模，在腔长l的共振腔内，两个模的频率间隔△v～c/2l（c是光速）．能达到激光振荡条件的模，它的辐射频率必须在光学增益带宽内．假定共振腔的腔长为10cm，两个模之间的频率间隔△v～1.5×109Hz． He-Ne激光器的增益带宽△vG～1.5×108Hz．这意味着，实际上能够同时达到激光振荡条件的只有一个模．红宝石的增益带宽△vG～2×1011Hz，如果采用相同长度的共振腔，在增益带宽内可以容纳13个模．在谱线均匀致宽的情况下，会发生振荡模竞争的现象，这13个模最终只有少数几个能同时发生振荡．总的来说，激光器的激光振荡模数目是很少的．
前面谈的是沿同一个传播方向，按光频率区分光子态得到的结果，这样的模称为纵模．还有按辐射传播方向区分光子态，这就是横模．从波动观点来看，在垂直于光束传播方向的横截面上，每一种稳定存在的电磁场分布形式称为一种横模式，用符号TEMmn表示，下标m、n代表模的阶数．m=n=0的模称为基模，其余的称高阶模．图3-3是几种横模的光电场分布形式和光强空间分布花样．横模阶数高的模，其光强空间分布范围大，在共振腔内来回传播过程中逃逸出共振腔的量大．所以，虽然可存在的横模有许多个，但能满足激光振荡条件的只有少数几个．