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激光是什么原理?

 鵬天閣隱龍齋主 2019-01-31

非常感謝悟空的信任和邀請。

有幸從物理系、光電技術(shù)專業(yè)畢業(yè),自信這個問題能說明白。

先來看兩張圖:


這兩張圖是我從網(wǎng)上找到的兩張螞蟻群的圖。第一張是亂糟糟的無序的螞蟻群,第二張是大部分螞蟻形成了一個穩(wěn)定路線的螞蟻群。

從這兩張圖中我們能看到,單獨一只螞蟻拿出來沒有區(qū)別。但是按照不同的方式組織在一起,對外就顯示出來完全不同的狀態(tài)。

其實激光跟普通光相比就跟上面兩個圖的對比差不多。

本質(zhì)上都一樣,只要波長相同,從兩種光里面各取出一個光子,物理性質(zhì)沒有不同。但是,由于聚集方式不同,兩種光對外表現(xiàn)出完全不同的物理性質(zhì)。

1、方向性。普通光源匯聚能力不強(qiáng),隨著跟光源的距離不同,很快就發(fā)散了。而激光不同,它的發(fā)散角很小。這是因為激光器有一個二分之一波長整數(shù)倍長度的諧振腔,通過控制諧振腔的長度和激光發(fā)射出來的橫截面的寬度,就可以控制發(fā)散角。

2、偏振性和相干性。普通光源不同時刻發(fā)出來的光子是沒有任何規(guī)律的,就跟第一張圖片亂糟糟的螞蟻一樣,彼此之間沒有任何關(guān)系。而激光不同,激光器發(fā)出的激光所有的光子就跟站好隊列的螞蟻一樣,你只要描述第一只螞蟻,然后用一個線性函數(shù)就能描述后面所有的螞蟻。所有光子的振動方向都一樣前后保持首尾銜接。

3、單色性。普通光源里面通常都是包含不同顏色的光,或者說是不同波長的光。但是由于激光器諧振腔的作用,只有那些滿足諧振腔長度的光才能在腔內(nèi)振蕩形成激光,所以激光的波長基本一致。這就像是那群排列好的螞蟻,不僅隊列整齊,而且螞蟻的個頭一樣大。

那么激光是怎么產(chǎn)生的呢?再讓我們看下面這個圖:

一堆彈簧。激光發(fā)生器可以被看成是一個裝滿了各種彈簧的一個長長的匣子。實際上,由于激光器的介質(zhì)不同,只能是容納幾個特定波長的光。相當(dāng)于這個匣子里的彈簧是那些特定彈性系數(shù)的。

我們現(xiàn)在在外面給彈簧加一個能量,讓這些彈簧開始震動。由于匣子的限制,只有那些受到匣子限制的彈簧才能開始震動,并且從給定的出口蹦出去。激光器產(chǎn)生激光的過程跟這個差不多。

再看下面這個二氧化碳激光器的實物圖:

小編上學(xué)的時候用過一個三級二氧化碳激光器,全長有9米多。

我們看到圖中的那個管子就是一個實物激光器,只是沒有供電和供氣兩個主要部分。

使用的時候,我們把這個管子固定好,然后在罐子里面充入二氧化碳,在兩端加上高壓電。管子里的二氧化碳被高壓電擊穿,開始發(fā)光,由于這個管子的長度的約束,只有特定波長的光才能在這根管子兩端的鏡面上來回反射。這樣管子里這個波長的光子就越來越多,然后從管子的一端發(fā)射出去,就形成了激光。

二氧化碳激光器產(chǎn)生的是紅外激光,主要是用熱效應(yīng)工作。

其它激光器可能千奇百怪,但是原理跟這個是一樣的。

希望上面的解釋,能讓您對激光有一個直觀的了解。

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