相信
激光這名詞對大家來說一點也不陌生。在日常生活中，我們常常接觸到激光，例如在課堂上我們所用的激光指示器，與及在計算機或音響組合中用來讀取光盤資料的光驅(qū)等等。在工業(yè)上，激光常用于切割或微細加工。在軍事上，激光被用來攔截導(dǎo)彈。科學(xué)家也利用激光非常準確地測量了地球和月球的距離，涉及的誤差只有幾厘米。激光的用途那么廣泛，究竟它是如何產(chǎn)生的呢？以下我們將會闡釋激光的基本原理。
le J\ etWCMR 激光的發(fā)展有很長的歷史，它的原理早在 1917 年已被著名的物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。
I X) \z KI{B<S3*Z 激光英文名是 Laser，即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的縮寫。激光的英文全名已完全表達了制造激光的主要過程。但在闡釋這個過程之前，我們必先了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，與及光的輻射和吸收的原理。
uMe]].04 aaM76 ; 物質(zhì)由原子組成。圖一是一個碳原子的示意圖。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布滿著帶負電的電子，繞著原子核運動。有趣的是，電子在原子中的能量并不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們，這些電子會處于一些固定的「能階」，不同的能階對應(yīng)于不同的電子能量。為了簡單起見，我們可以如圖一所示，把這些能階想象成一些繞著原子核的軌道，距離原子核越遠的軌道能量越高。此外，不同軌道最多可容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道 (也是最近原子核的軌道) 最多只可容納 2 個電子，較高的軌道則可容納 8 個電子等等。事實上，這個過份簡化了的
模型并不是完全正確的 [1]，但它足以幫助我們說明激光的基本原理。
P<A_7Ho /V@9! 電子可以透過吸收或釋放能量從一個能階躍遷至另一個能階。例如當電子吸收了一個光子 [2] 時，它便可能從一個較低的能階躍遷至一個較高的能階 (圖二 a)。同樣地，一個位于高能階的電子也會透過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能階 (圖二 b)。在這些過程中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。
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7 *LV; 當原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能階時，整個原子的能量最低，我們稱原子處于基態(tài)。圖一顯示了碳原子處于基態(tài)時電子的排列狀況。當一個或多個電子處于較高的能階時，我們稱原子處于受激態(tài)。前面說過，電子可透過吸收或釋放在能階之間躍遷。躍遷又可分為三種形式﹕
m_g2 Cep tjTnFP/= 1. 自發(fā)吸收 - 電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階。
(7_}UT@ w- 2. 自發(fā)輻射 - 電子自發(fā)地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階 (圖二 b)。
&`IC 3O5 3. 受激輻射 - 光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應(yīng)于兩個能階的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩個相同的光子。
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