科普 什么是激光?看完这一篇就够了

发布时间 : 2023-01-22  浏览次数 :

  1960年的5月16日,美国物理学家梅曼发明了世界首台激光器。人类第一次有了如此单色性好、高准直、高能量密度的神奇光源。为纪念梅曼的伟大发明,2015年开始,联合国教科文组织将每年的5月16日定为国际“光”日。

  激光,作为20世纪最重要的发明之一,已经融入了生活的方方面面。自1960年第一台激光器发明以来,激光已经在通信、医疗、工业生产、军事武器等领域有着广泛应用,成为了一种跨学科的通用技术,对诸多领域的研究产生了巨大作用,也促进了社会生产效率的提高。2018年诺贝尔物理学奖授予了在激光物理领域有突破性贡献的3位科学家,足以彰显激光在当今社会的重要作用。

  激光(英文名:laser)是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写,即“通过受激辐射产生的光放大”,指通过刺激原子导致电子跃迁释放辐射而产生具有同调性的增强光子束。

  早在1917年,爱因斯坦首先提出了原子的受激辐射。在原子体系中,根据电子的不同状态,可以分为若干能级。在能量恰好合适的光子的“刺激”下,处于高能级的电子会跃迁到低能级并辐射出一个同样频率的光子。

  受激辐射所产生的光子与入射光子具有完全相同的状态,当它与其他处于高能级的电子相作用时,同样会产生更多光子,于是光的强度愈发变大,或者说光被“放大了”。

  但由于通常情况下低能级电子数目远比高能级的要多,这就意味着光子更容易被低能级的电子吸收而跃迁至高能级。若要实现光放大,就要增加高能级电子的数目,那么就需要“泵浦源”来激励更多低能级的电子向高能级跃迁,使高能级的电子多于低能级,即“粒子数反转”。

  激光器可分为气体激光器、液体激光器、固体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等。

  激励抽运系统:即“泵浦源”,将能量提供给低能级的电子,使其激发为高能级的电子,常见的有光学激励、气体放电激励、化学激励、核能激励等等

  激光工作物质:用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系、工作媒介。

  光学共振腔:通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成,使受激发的光在腔内多次往返以形成相干的持续振荡得到放大,并限制光束的频率和方向。

  激光器主要部件:1.活跃激光介质 2.光泵浦能量 3.高反射率反射镜 4.输出功率耦合器5.激光光束

  自1917年爱因斯坦提出受激辐射以来,科学家们历经了43年的不懈探索,终于在1960年,由美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼成功设计并制造了一台红宝石激光器,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。激光器的问世可以说是光学领域乃至整个人类科学发展史上的一个里程碑。联合国教科文组织也将5月16日设立为国际光日,以纪念第一台激光器的诞生。

  激光由于其发散度小、功率高、单色性好、相干性好等条件,在光纤通信、工业生产、医疗卫生、测量技术、成像技术等领域都有广泛应用。

  经过数十年的发展,激光医学已初步发展成为一门体系较为完整的交叉学科,在医学领域发挥着重要作用。

  激光诊断:利用激光的性质,激光诊断技术可以通过测量生物组织的微观结构、生理作用、生化分子浓度等指标,来获取组织结构和功能信息,剖析疾病的发生过程。主要的激光成像新技术包括光学相干层析成像(OCT)、光声成像、多光子显微成像、拉曼成像等。激光成像凭借其高灵敏度和高分辨率的优势,渐渐成为了现代医学诊疗的重要组成部分。

  激光治疗:激光治疗技术包括强激光治疗、光动力治疗、弱激光治疗。我们常见的激光手术也是其中一种。激光手术因其出血少、操作准确、非接触、无菌、损伤小的优势,已广泛用于眼科、皮肤科、泌尿外科、口腔科、耳鼻喉科等方面的治疗。

  激光监测:基于LED光源的医学监测技术因其能够监测血糖、血氧等重要生理指标而逐步兴起。相比LED光源,激光光源具有更好的光学特性,能够提供全新的无损、精准监测手段:实现微创或无创监测,兼具高灵敏度、高选择性和长期稳定性。激光健康监测将开发出便携式、可穿戴及内窥式的监测设备,不断向微型化、智能化方向发展。

  在电影作品中,我们不乏看到许多与激光武器有关的艺术构想。由于其性能的特殊性,激光技术自诞生之日就收到武器研究领域的广泛关注。早在上世纪八十年代,美国里根总统提出的“星球大战计划”中,就有在太空部署激光武器以拦截洲际导弹的构想。但囿于技术水平的限制,这类战略激光武器未能实现。

  除了激光武器,激光在激光雷达、激光测距、激光制导、激光侦查方面有着更充分的应用。例如,激光制导通过将激光信号进行编码获得制导信息,或向导弹传输制导指令的方法,能显著提高制导的精确度。在海湾战争中,美军便大量装备了激光制导技术的相关部件,有效提升了打击效率。

  激光的应用领域远不止上述几个方面,事实上,激光技术已经渗透到了我们社会运转的各个环节,改善着我们的生活,推动着社会的发展。在新的一个世纪中,激光技术也必将为社会发展带来更多可能性,照亮人类的未来。

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