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我們現(xiàn)在所使用的精密激光焊接機(jī)的激光是怎么形成的？世界上第一束激光是由1960年的加州修斯實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成功，西奧多·梅曼發(fā)明的紅寶石激光器，開(kāi)啟了人類創(chuàng)造激光、利用激光改造世界的大門。往后的幾十年來(lái)，激光科技不斷的發(fā)展更新，激光技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了我們生活中的方方面面。
很多人可能只知道激光十分的強(qiáng)大，可作用的用途十分的廣泛，但不清楚激光到底是怎么來(lái)的，是如何產(chǎn)生的。因此，民升激光小編就用通俗易懂的話語(yǔ)，為大家解說(shuō)一下激光形成的原理。
激光到底是怎么來(lái)的？
想了解激光的形成原理，首先要清楚什么是能級(jí)，“能級(jí)”簡(jiǎn)單的說(shuō)就是每一個(gè)原子（實(shí)際上核外電子）攜帶一定能力的狀態(tài)，不同的能級(jí)表示原子攜帶的能量不同。能級(jí)越高其核外電子能量就越高，越容易脫離原子核的束縛。為了方便大家更透徹的理解，就以原子結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的氫原子作為例子來(lái)講解一下。
n表示量子數(shù)，對(duì)應(yīng)原子的能級(jí)E。n＝1時(shí)，表示的是氫原子穩(wěn)定狀態(tài)下的能級(jí)，稱為基態(tài)（E1能級(jí)）。n＝2、3、4等，稱為激發(fā)態(tài)（E2能級(jí)、E3能級(jí)、E4能級(jí)等）。根據(jù)丹麥物理學(xué)家玻爾的理論，原子處于穩(wěn)定的基態(tài)時(shí)，如果受到外界的激發(fā)，吸收相應(yīng)的外界能量，會(huì)躍遷到較高的能級(jí)上形成激發(fā)態(tài)。
而原子在激發(fā)態(tài)時(shí)是不穩(wěn)定的，當(dāng)原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)會(huì)自發(fā)地向較低能級(jí)躍遷，經(jīng)過(guò)一次或幾次躍遷到達(dá)基態(tài)，在向低能級(jí)躍遷的過(guò)程中會(huì)釋放相應(yīng)能量。這個(gè)相應(yīng)能量以一定頻率的光子的形式存在，可由能級(jí)圖右側(cè)數(shù)值計(jì)算得出，光子能量E＝hν＝Em－En。h是物理學(xué)家測(cè)出的固定值（普朗克常量），ν表示光子的頻率（由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時(shí)釋放光子的頻率，就是原子對(duì)外輻射光的頻率，形成激光時(shí)也就是該激光的頻率，這決定了激光的波長(zhǎng)λ＝c／ν，c為光速）。
理解能級(jí)結(jié)構(gòu)之后，來(lái)看看激光是怎么形成的。同樣為方便理解，還是以結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的紅寶石激光器為例進(jìn)行講解。紅寶石激光器屬于固體激光器，工作物質(zhì)是紅寶石棒，晶體基質(zhì)為Al2O3，摻有占總重量0.05％的Cr2O3。紅寶石中的激光作用是通過(guò)Cr3＋（鉻離子）的受激發(fā)射過(guò)程而實(shí)現(xiàn)的，因而Cr3＋通常稱為激活離子，它是紅寶石中產(chǎn)生激光的“主體”。而紅寶石的主要成分氧化鋁只是容納鉻離子的基質(zhì)，對(duì)激光作用只起間接作用。
當(dāng)泵浦光照射紅寶石時(shí)，處于基態(tài)的Cr3＋離子吸收特定波長(zhǎng)的光躍遷到E3能級(jí)，Cr3＋離子在這個(gè)能級(jí)上壽命很短（極不穩(wěn)定，約存在10－9s），因而迅速通過(guò)無(wú)輻射躍遷（無(wú)輻射躍遷是指原子通過(guò)原子碰撞的形式將能量與外界進(jìn)行交換，即晶體內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生能級(jí)改變，期間既不發(fā)射也不吸收光子）躍遷到E2能級(jí)。
E2能級(jí)壽命較長(zhǎng)（約有3ms），稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，在這個(gè)能級(jí)上可以聚集較多的Cr3＋離子。當(dāng)外界泵浦足夠強(qiáng)的時(shí)候，會(huì)在E2能級(jí)和E1能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即E2能級(jí)上Cr3＋離子數(shù)量比E1能級(jí)多。
在實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，每一個(gè)能量為hν的外來(lái)光子都將激發(fā)E2能級(jí)上的一個(gè)原子使其躍遷到基態(tài)，同時(shí)釋放一個(gè)能量為hν的光子，光子總能量也就1變2，2變4，4變8……從而實(shí)現(xiàn)了受激輻射放大（增益）過(guò)程。由于光學(xué)諧振腔對(duì)光增益存在損耗，只有受激輻射放大的增益大于激光器內(nèi)的各種損耗時(shí)，才會(huì)輸出激光。
