激光測距儀器中的激光技術基礎入門知識

激光簡史和我國的激光技術
    自愛因斯坦1917年提出受激輻射概念后，足足經過了40年，直到1958年，美國兩位微波領域的科學家湯斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw)才打破了沉寂的局面，發表了著名論文《紅外與光學激射器》，指出了受激輻射為主的發光的可能性，以及必要條件事實現"粒子數反轉"。他們的論文史在光學領域工作的科學家馬上興奮起來，紛紛提出各種實現粒子數反轉的實驗方案，從此開辟了嶄新的激光研究領域。
同年蘇聯科學家巴索夫和普羅霍羅夫發表了《實現三能級粒子數反轉和半導體激光器建議》論文，1959年9月湯斯又提出了制造紅寶石激光器的建議……1960年5月15日加州休斯實驗室的梅曼（T.H.Maiman）制成了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了波長為694.3nm的激光。梅曼是利用紅寶石進體做發光材料，用發光密度很高的脈沖氙燈做激發光源（如圖所示），實際他的研究早在1957年就開始了，多年的努力終于活動了歷史上第一束激光。1964年，湯斯、巴索夫和普羅霍夫由于對激光研究的貢獻分享了諾貝爾物理學獎。
中國第一臺紅寶石激光器于1961年8月在中國科學院長春光學精密機械研究所研制成功。這臺激光器在結構上比梅曼所設計的有了新的改進，尤其是在當時我國工業水平比美國低得多，研制條件十分困難，全靠研究人員自己設計、動手制造。在這以后，我國的激光技術也得到了迅速發展，并在各個領域得到了廣泛應用。1987年6月，1012W的大功率脈沖激光系統--神光裝置，在中國科學院上海光學精密機械研究所研制成功，多年來為我國的激光聚變研究作出了很好的貢獻。

一、激光產生原理
1、普通光源的發光--受激吸收和自發輻射
           
普通常見光源的發光（如電燈、火焰、太陽等地發光）是由于物質在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發。激發的過程是一個"受激吸收"過程。處在高能級（E2)的電子壽命很短（一般為10－8～10－9秒），在沒有外界作用下會自發地向低能級（E1）躍遷，躍遷時將產生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為       

hυ=E2-E1

這種輻射稱為自發輻射。原子的自發輻射過程完全是一種隨機過程，各發光原子的發光過程各自獨立，互不關聯，即所輻射的光在發射方向上是無規則的射向四面八方，另外未位相、偏振狀態也各不相同。由于激發能級有一個寬度，所以發射光的頻率也不是單一的，而有一個范圍。
           
在通常熱平衡條件下，處于高能級E2上的原子數密度N2，遠比處于低能級的原子數密度低，這是因為處于能級E的原子數密度N的大小時隨能級E的增加而指數減小，即N∝exp(-E/kT)，這是著名的波耳茲曼分布規律。于是在上、下兩個能級上的原子數密度比為
N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}
式中k為波耳茲曼常量，T為絕對溫度。因為E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氫原子基態能量為E1＝－13.6eV，第一激發態能量為E2=-3.4eV，在20℃時，kT≈0.025eV，則
N2/N1∝exp（－400）≈0
可見，在20℃時，全部氫原子幾乎都處于基態，要使原子發光，必須外界提供能量使原子到達激發態，所以普通廣義的發光是包含了受激吸收和自發輻射兩個過程。一般說來，這種光源所輻射光的能量是不強的，加上向四面八方發射，更使能量分散了。         

2、受激輻射和光的放大
由量子理論知識知道，一個能級對應電子的一個能量狀態。電子能量由主量子數n(n=1,2,…）決定。但是實際描寫原子中電子運動狀態，除能量外，還有軌道角動量L和自旋角動量s，它們都是量子化的，由相應的量子數來描述。對軌道角動量，波爾曾給出了量子化公式Ln＝nh，但這不嚴格，因這個式子還是在把電子運動看作軌道運動基礎上得到的。嚴格的能量量子化以及角動量量子化都應該有量子力學理論來推導。
量子理論告訴我們，電子從高能態向低能態躍遷時只能發生在l（角動量量子數）量子數相差±1的兩個狀態之間，這就是一種選擇規則。如果選擇規則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級，一旦電子被激發到這種能級上時，由于不滿足躍遷的選擇規則，可使它在這種能級上的壽命很長，不易發生自發躍遷到低能級上。這種能級稱為亞穩態能級。但是，在外加光的誘發和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級，并放出光子。這種過程是被"激"出來的，故稱受激輻射。
受激輻射的概念世愛因斯坦于1917年在推導普朗克的黑體輻射公式時，第一個提出來的。他從理論上預言了原子發生受激輻射的可能性，這是激光的基礎。
受激輻射的過程大致如下：原子開始處于高能級E2，當一個外來光子所帶的能量hυ正好為某一對能級之差E2-E1,則這原子可以在此外來光子的誘發下從高能級E2向低能級E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點，就是原子可發出與誘發光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個光子，就會出射兩個完全相同的光子。這意味著原來光信號被放大這種在受激過程中產生并被放大的光，就是激光。
           
3、粒子數反轉
一個誘發光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當處在高能級地原子數目比處在低能級的還多時，受激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優勢。由此可見，為使光源發射激光，而不是發出普通光的關鍵是發光原子處在高能級的數目比低能級上的多，這種情況，稱為粒子數反轉。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態）。因此，如何從技術上實現粒子數反轉則是產生激光的必要條件。

二、激光器的結構
激光器一般包括三個部分。
1、激光工作介質
激光的產生必須選擇合適的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體。在這種介質中可以實現粒子數反轉，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩態能級的存在，對實現粒子數反轉世非常有利的。現有工作介質近千種，可產生的激光波長包括從真空紫外道遠紅外，非常廣泛。
2、激勵源
為了使工作介質中出現粒子數反轉，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發介質原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地"泵浦"以維持處于上能級的粒子數比下能級多。
3、諧振腔
有了合適的工作物質和激勵源后，可實現粒子數反轉，但這樣產生的受激輻射強度很弱，無法實際應用。于是人們就想到了用光學諧振腔進行放大。所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質的光，繼續誘發新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，產生強烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。
           
下面以紅寶石激光器為例來說明激光的形成。工作物質是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價鉻離子的三氧化二鋁晶體。實際是摻入質量比約為0.05%的氧化鉻。由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍光，所以寶石呈粉紅色。1960年梅曼發明的激光器所產用的紅寶石是一根直徑0.8cm、長約8cm的圓棒。兩端面是一對平行平面鏡，一端鍍上全反射膜，一端有10%的透射率，可讓激光透出。
紅寶石激光器中，用高壓氙燈作"泵?quot;，利用氙燈所發出的強光激發鉻離子到達激發態E3，被抽運到E3上的電子很快（～10－8s）通過無輻射躍遷到E2。E2是亞穩態能級，E2到E1的自發輻射幾率很小，壽命長達10-3s，即允許粒子停留較長時間。于是，粒子就在E2上積聚起來，實現E2和E1兩能級上的粒子數反轉。從E2到E1受激發射的波長是694.3nm的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一個光脈沖的持續時間不到1ms，每個光脈沖能量在10J以上；也就是說，每個脈沖激光的功率可超過10kW的數量級。注意到上述鉻離子從激發到發出激光的過程中涉及到三條能級，故稱為三能級系統。由于在三能級系統中，下能級E1是基態，通常情況下積聚大量原子，所以要達到粒子數反轉，要有相當強的激勵才行。
三、激光器的種類
對激光器有不同的分類方法，一般按工作介質的不同來分類，在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器。另外，根據激光輸出方式的不同又可分為連續激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，還可以按發光的頻率和發光功率大小分類。
1、固體激光器
一般講，固體激光器具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率大的特點。這種激光器的工作介質是在作為基質材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續功率可達100W以上，脈沖峰值功率可達109W。
2、氣體激光器
氣體激光器具有結構簡單、造價低；操作方便；工作介質均勻，光束質量好；以及能長時間較穩定地連續工作的有點。這也是目前品種更多、應用廣泛的一類激光器，占有市場達60％左右。其中，氦－氖激光器是常用的一種。
3、半導體激光器
半導體激光器是以半導體材料作為工作介質的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，發射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵方式有光泵浦、電激勵等。這種激光器體積小、質量輕、壽命長、結構簡單而堅固，特別適于在飛機、車輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術的發展大大推動了半導體激光器的發展。
4、液體激光器
常用的是染料激光器，采用有機染料工作介質。大多數情況是把有機染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光（在可見光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復雜。輸出波長連續可調，且覆蓋面寬是它的優點，使它也得到廣泛應用。