激光器有什么作用?

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1、激光器的概念 激光是光学领域中一个非常神奇的存在,它的神奇在于能够发出高亮度、高强度、方向性强,且颜色单一的电磁波(波长小于1纳米的电磁波),而人类眼睛可识别光谱仅占所有电磁波的不到300纳米,也就是说激光发出的电磁波在肉眼看来都是黑色。尽管我们看不到他们,但他们的能量却是非常大的。 以可见光为例,人眼对不同波长的电磁波感知是有差别的,比如,红光的波长大约650nm,而红外光则大于700nm,两者相差20nm左右,那么这之间就有10亿个波峰和波谷。同样,紫外线与X射线也是人为划分的,它们都是电磁波,只不过频率更高。 对于看不见的激光来说,其每个颜色的能量都是一样多,这就是单色性。由于激光的强度比太阳强几百万倍(太阳光是“点光源”,而激光是由很多光子组成的“线光源”),故可以穿透周围环境照射到人的眼睛,使人感受到光的亮度。 当一束激光通过透镜聚焦后,它就会具有很高的功率密度,当达到一定的阈值时,就能够产生热效应、发光现象或者光电效应等,这一特点常被应用于物理、化学、生物等领域。例如,在医学上常用655nm的染料激光治疗血管性疾病;用532nm的钇铝石榴石 (YAG) 激光击穿气体制造超精细放电管和高温高压发生器;而在工业上则多用波长较长的红宝石激光加热固体材料。总之,随着激光技术的不断发展,其在各个领域的应用将越来越广泛。

2、激光的原理 在介绍激光原理之前,我们先简单地介绍两个概念——相干性和叠加原理。 要了解激光的原理,就必须先理解相干性的含义是什么。任何两个波函数彼此相干的概率只取决于它们之间的距离,而与它们的入射角度、振幅和偏振状态都无关。 用一个最简单的例子就能说明相干性,如果两个光子以相同的速度、相同的方向照射到电子探测器上,而且相距很近,那么这两个光子被检测到的时刻几乎一定是相同的,我们称之为相干检测。 然而,如果没有经过任何处理,直接让光信号通过电缆或其他传输介质传输,那么最后到达接受装置的两光子的相位就会变得乱七八糟,我们称这种没有经过处理的信号为“非相干信号”或“混沌信号”。

既然有相干性,就一定会存在反相的情况。如果在两个脉冲之后探测到电子,且发现其中一个电子的动量较大,另一个电子的动量较小,我们就说发生了互相抵消的现象,此时就体现了反相。

了解了什么是相干性,接下来我们需要了解另一个概念——“叠加原理”。 如果把两个光源看做许多独立的亮斑,就可以将它们叠加起来进行观察。如果把两个单独的光束看做平面上的两个分离的点源,那么只要它们的空间位置足够近,我们就可以把它们重叠起来加以观察。 这是由数学中的微积分基本定理决定的,即任意两个同时开始的连续信号,其所有可能的结果都是可以求和的。如果我们能连续地发出两列同频同相的信号,并且保证它们在时间上能够重合,则这两列信号的所有可能结果就是一个加法问题,其和就是这两列信号所有的可能结果。这个加法的和无论大小多少,总归是一个确定的结果。 这个定律决定了光可以通过串联方式叠加成复合光,构成彩色图像。

了解了相干性和叠加原理的意义,我们现在可以来解释激光的原理了。 根据上述两个概念,我们将两个强度相等、频率相同、相位相同(或允许有固定相位差)的两个光混合集合作为输入,根据叠加原理,它们的输出必然是各不相同的,这就使得我们能够区分不同颜色的光。 另外,如果这两股光经过一定的变换,使其具备某种特定的相位关系,例如,其中一股光作为参考光具有固定的相位,而另一股光是待测量光,它们之间的相位差可以作为测量待测量光的唯一特征。这样就可以利用测量电路测出待测量光的光强,从而得到待测量光的信息。 这就是激光的基本原理。

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