一文看懂鐳射技術

粒子數密度反轉飽和是什麼原因

導語：自1960年美國研製成功世界上第一臺紅寶石鐳射器，我國也於1961年研製成功國產首臺紅寶石鐳射器（誕生於中國科學院長春光學精密機械研究所）以來，鐳射技術被認為是20世紀繼量子物理學、無線電技術、原子能技術、半導體技術、電子計算機技術之後的又一重大科學技術新成就。

如今，我們家中用的CD和DVD播放器，辦公室的鐳射印表機和商場的條碼掃描器都有鐳射。人們用鐳射治療近視視力，透過光纖網路傳送郵件瀏覽影片。無論我們是否意識到，我們每個人每天都使用鐳射，但是有多少人真正瞭解鐳射是什麼，如何工作？

鐳射，是一種自然界原本不存在的，因受激而發出的，具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。

鐳射的產生機理可以溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時提出的假說，即光的吸收和發射可經由受激吸收、受激輻射和自發輻射三種基本過程。眾所周知，任何一種光源的發光都與其物質內部粒子的運動狀態有關。當處於低能級上的粒子（原子、分子或離子）吸收了適當頻率外來能量（光）被激發而躍遷到相應的高能級上（受激吸收）後，總是力圖躍遷到較低的能級去，同時將多餘的能量以光子形式釋放出來。

如果光是在沒有外來光子作用下自發地釋放出來的（自發輻射），此時被釋放的光即為普通的光（如電燈、霓虹燈等），其特點是光的頻率大小、方向和步調都很不一致。

但如果是在外來光子直接作用下由高能級向低能級躍遷時將多餘的能量以光子形式釋放出來（受激輻射），被釋放的光子則與外來的入射光子在頻率、位相、傳播方向等方面完全一致，這就意味著外來光得到了加強，我們稱之為光放大。

圖：鐳射產生機理：（左）受激吸收，（中）自發輻射，（右）受激發射

而鐳射的產生需要滿足三個條件：粒子數反轉、諧振腔反饋和滿足閾值條件。透過受激吸收，使處於高能級的粒子數比處於低能級的越多（粒子數反轉），還需要在有源區兩端製作出能夠反射光子的平行反射面，形成諧振腔，並使增益大於損耗，即相同時間新產生的光子數大於散射吸收掉的光子數。只有滿足了這三個條件，才有可能產生鐳射。

鐳射的特性

鐳射之所以被譽為神奇的光，是因為它有普通光完全不具備的四大特性。

1.方向性好

——普通光源（太陽、白熾燈或熒光燈）向四面八方發光，而鐳射的發光方向可以限制在小於幾個毫弧度立體角內，這就使得在照射方向上的照度提高千萬倍。鐳射每200千米擴散直徑小於1米，若射到距地球3。8×105km的月球，光束擴散不到2千米，而普通探照燈幾千米外就擴散到幾十米。

鐳射準直、導向和測距就是利用方向性好這一特性。

2.亮度高

——鐳射是當代最亮的光源，只有氫彈爆炸瞬間強烈的閃光才能與它相比擬。太陽光亮度大約是1。865×109cd/m2，而一臺大功率鐳射器的輸出光亮度可以高出太陽光的亮度7～14個數量級。

儘管鐳射的總能量並不一定很大，但由於能量高度集中，很容易在某一微小點處產生高壓和幾萬攝氏度甚至幾百萬攝氏度的高溫。鐳射打孔、切割、焊接和鐳射外科手術等實際應用就是利用了這一特性。

3.單色性好

——光是一種電磁波。光的顏色取決於它的波長。普通光源發出的光通常包含著各種波長，是各種顏色光的混合。太陽光包含紅、登、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的可見光以及紅外光、紫外光等不可見光。

而某種鐳射的波長只集中在十分窄的光譜波段或頻率範圍內。如氦氖鐳射的波長為632。8奈米，其波長變化範圍不到萬分之一奈米。鐳射良好的單色性為精密度儀器測量和激勵某些化學反應等科學實驗提供了極為有利的手段。

4.相干性好

——干涉是波動現象的一種屬性。基於鐳射具有高方向性和高單色性的特性，它必然會是相干性極好的光。鐳射的這一特性使全息照相成為現實。

鐳射器的型別

在光源中，實現能級粒子數反轉是實現光放大的前提，也就是產生鐳射的先決條件。要實現粒子數反轉，需藉助外來光的力量，使大量原來處於低能級的粒子躍遷到高能級上去，這個過程我們稱之為“激勵”。

我們通常所說的鐳射器，就是使光源中的粒子受到激勵而產生受激輻射躍遷，實現粒子數反轉，然後透過受激輻射而產生光的放大的裝置。鐳射器雖然多種多樣，但使命都是透過激勵和受激輻射而獲得鐳射。因此鐳射器通常均由啟用介質（即被激勵後能產生粒子數反轉的工作物質）、激勵裝置（即能使啟用介質發生粒子數反轉的能源，泵浦源）和光諧振腔（即能使光束在其中反覆振盪和被多次放大的兩塊平面反射鏡）三個部分組成。

圖：鐳射器的工作原理

由於我們可以以許多不同的方式激發許多不同種類的原子，我們可以（理論上）製造許多不同種類的鐳射。

鐳射器有多種分類方式，其中最著名的是固體，氣體，液體染料，半導體和光纖鐳射器。固態鐳射器介質是類似紅寶石棒或其他固體結晶材料，並且纏繞在其上的閃光管泵送其充滿能量的原子。為了有效地工作，固體必須摻雜，這是一種用雜質離子代替一些原子的過程，使其具有恰當的能級以產生一定精確頻率的鐳射。固態鐳射器產生高功率光束，通常是非常短的脈衝。相比之下，氣體鐳射器使用惰性氣體（即所謂的準分子鐳射器）或二氧化碳（CO2）作為介質的化合物產生連續的亮光。 CO2鐳射器功能強大，效率高，常用於工業切割和焊接。液體染料鐳射器使用有機染料分子的溶液作為介質，主要優點是可用於產生比固態和氣體鐳射器更寬的光頻帶，甚至可“調諧”以產生不同的頻率。

按波長來分，覆蓋的波長範圍包括遠紅外、紅外、可見光、紫外直到遠紫外，最近還研製出X射線鐳射器和正在開發的γ射線光器；

按激勵方式不同，有光激勵（光源或紫外光激勵）、氣體放電激勵、化學反應激勵、核反應激勵等；

按輸出方式不同，有連續的、單脈衝的、連續脈衝的和超短脈衝等；

從功率輸出的大小來看，其中連續的輸出功率小至微瓦級，最大可達兆瓦級。脈衝輸出的能量可從微焦耳至10萬以上焦耳，脈衝寬度由毫秒級到皮秒級乃至飛秒級（1000萬億分之一）。

各式各樣鐳射器滿足不同的應用要求。如鐳射加工和某些軍用鐳射都要求高功率鐳射或高能量鐳射（即所謂強鐳射）。有的希望脈衝時間儘量縮短，以從事某些特快過程的研究。有的還對提高光的單色性、改善輸出光的模式、改善光斑的光強分佈以及要求波長可調等提出了很高的要求。這些要求促使著鐳射器的研究者不斷探索，從而使鐳射器的探索深度和應用廣度得到前所未有的發展。

蓬勃發展的鐳射應用

所謂鐳射技術，就是探索開發各種產生鐳射的方法以及探索應用鐳射的這些特性為人類造福的技術的總稱。

50多年來，鐳射技術與應用發展迅猛，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如光電技術，鐳射醫療與光子生物學，鐳射加工技術，鐳射檢測與計量技術，鐳射全息技術，鐳射光譜分析技術，非線性光學，超快鐳射學，鐳射化學，量子光學，鐳射雷達，鐳射制導，鐳射分離同位素，鐳射可控核聚變，鐳射武器等。這些交叉技術與新的學科的出現，大大地推動了傳統產業和新興產業的發展。

1、鐳射在資訊領域的應用

半導體鐳射器和光纖放大器是光纖通訊的兩項關鍵技術。

半導體鐳射器發出的鐳射不僅單色性和相干性好，而且光波頻率比微波頻率又高萬倍，故以鐳射為傳遞資訊的載體，用光纖做資訊傳遞線路的光纖通訊，不僅通訊質量好、抗干擾能力強、保密性好，而且通訊容量比微波通訊要提高上萬倍。

利用鐳射技術進行光儲存，使資訊的儲存發生了革命性的飛躍。一張CD聲頻光碟的記錄密度相當於1000萬bit／cm2，可記錄78分鐘的音樂節目，比密紋唱片要大好幾個數量級。

圖： CD或DVD播放機中的光碟的鐳射和鏡頭。右下方的小圓是半導體鐳射二極體，而較大的藍色圓圈是從鐳射器從光碟的光滑表面反射後讀取光的透鏡。

此外，鐳射印表機、鐳射傳真機、鐳射照排、鐳射大螢幕彩色電視、光纖有線電視以及大氣鐳射通訊等均已得到廣泛應用。

2、鐳射在全息術領域的應用

光作為一種波動現象，表徵它的物理量有波長（同顏色有關）、振幅（同光的強弱有關）和位相（表示波動起點同基準時間的關係）。

人們利用感光的照相方法，只能記錄下波長和振幅，所以無論照得多麼逼真，看照片和看真的景物總是不一樣。

而鐳射具有高相干性，能獲取干涉波空間包括相位在內的全部資訊。因此，採用鐳射進行全息攝影，被拍物體的全部資訊都被記錄在底片上，透過光的衍射，就能復現被攝取物體栩栩如生的立體形象。

全息照相具有三維成像的特點，可重複記錄，而且每一小塊全息底片都能再現物體的完整立體形象，可廣泛用於精密干涉計量、無損探傷、全息光彈性、微應變分析和振動分析等科學研究。

其中，利用全息干涉術研究燃氣燃燒過程、機械件的振動模式、蜂窩板結構的粘結質量和汽車輪胎皮下缺陷檢查等已得到廣泛應用。並且，全息照相用作商品和信用卡的防偽標記已形成產業，用全息照相拍攝珍貴藝術品，不僅欣賞起來令人如臨其境，而且為藝術品的修復提供了可靠而逼真的依據。正在發展的全息電視還將為人們增添一種新的生活享受。

3、鐳射在醫療領域的應用

鐳射在醫學上的應用分為兩大類：鐳射診斷與鐳射治療，前者是以鐳射作為資訊載體，後者則以鐳射作為能量載體。

在鐳射診斷方面，鐳射可穿透到組織較深的地方進行診斷，直接反映組織病況，給醫生診斷提供了充分依據。

在鐳射治療方面，鐳射技術已成為臨床治療的有效手段，也成為發展醫學診斷的關鍵技術。它解決了醫學中的許多難題，例如鐳射手術治療切口小，對組織基本沒有損害或損害極小，毒副作用反應少。目前，鐳射臨床應用領域包括近視矯正、視網膜修補、蛀牙修復、分子級微創手術等，當前鐳射醫學的出色應用研究主要表現在以下方面：光動力療法治癌；鐳射治療心血管疾病；準分子鐳射角膜成形術；鐳射美容術；激光纖維內窺鏡手術；鐳射腹腔鏡手術；鐳射胸腔鏡手術；鐳射關節鏡手術；鐳射碎石術；鐳射外科手術；鐳射在吻合術上的應用；鐳射在口腔、頜面外科及牙科方面的應用；弱鐳射療法等。目前，鐳射治療在基礎研究、新技術開發以及新裝置研製和生產等諸多方面都保持持續的、強勁的發展勢頭。

圖：鐳射在口腔醫學領域的應用

4.鐳射加工

利用鐳射的高強度（亮度）聚焦鐳射束在1 ms內能發射100J的光能量，聚焦起來足以使材料在短時間內融化或汽化，從而對不同特性難以加工的材料進行加工處理，如：焊接、打孔、切割、熱處理、光刻等。

鐳射加工具有精度高、畸變小、無接觸、能量省等優點，其應用領域幾乎可以覆蓋整個機械製造業，包括礦山機械、石油化工、電力、鐵路、汽車、船舶、冶金、醫療器械、航空、機床、發電、印刷、包裝、模具、製藥等行業。其中關鍵零部件和精密裝置的磨損和腐蝕都能很好地利用鐳射熔覆技術進行修復和最佳化，成為化腐朽為神奇的利器。

5.精密測量

精密測量是利用了鐳射單色性好、相干性強、方向性好的特點。相比於其他測距儀，鐳射測距具有探測距離遠，精度高，抗干擾，保密性好，體積小重量輕的優點。測距儀發出光脈衝，經被測目標反射後，光脈衝回到接收系統，測量發射與接收時間間隔。

鐳射同時具有高亮度和高相干性，這使得光的多普勒效應能夠在測速方面得到應用。鐳射雷達是以發射鐳射束探測目標的位置、速度等特徵量的雷達系統。從工作原理上講，鐳射雷達與微波雷達沒有根本的區別：向目標發射探測訊號（鐳射束），然後將接收到的從目標反射回來的訊號（目標回波）與發射訊號進行比較，作適當處理後，就可獲得目標的有關資訊，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等引數，從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別，它在軍事領域發揮著重要的作用，也成為環境監測的有力武器。

此外，引力波的探測也是利用鐳射干涉測量方法，進行中低頻波段引力波的直接探測，觀測雙黑洞併合和極大質量比天體併合時產生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。

鐳射是20世紀人類最重大的發明之一，鐳射技術的應用已廣泛深入到工業、農業、軍事、醫學乃至社會的各個方面，對人類社會的進步正在起著越來越重要的作用，正奇蹟般地改變著我們的世界。

作者：杜悅寧