第四节 激光的原理与维修

光是被我们熟知的,自然界的光为人们带来黑白昼夜,人们利用光从事各种实践活动,迄今又有很大发展,它不仅应用于生活,而且还用于生产、医学等各个方面。 一、激光的本质 人类对光的认识,经…

光是被我们熟知的,自然界的光为人们带来黑白昼夜,人们利用光从事各种实践活动,迄今又有很大发展,它不仅应用于生活,而且还用于生产、医学等各个方面。

一、激光的本质

人类对光的认识,经历了一个曲折的认识过程。英国物理学家牛顿,在德国天文学家开普勒等人的理论基础上,进一步提出了光是从源中发出的微粒,构成一种特殊的物质,光的颜色是由微粒的大小而定的。但在同一世纪中,荷兰物理学家惠更斯,提出了与牛顿微粒理论截然不同的理论,既光的波动理论。他认为光是一种波,而不是什么微粒,还认为光在水、空气等物体里有一种特殊的物质“以太”。

由于牛顿的微粒说和惠更斯的波动说都可阐明一定的现象。所以在当时的科学技术水平中不能定出哪一个学说的理论更加优越。因当时牛顿在科学界的贡献大而其威信极高,光的微粒学说占了上风。致惠更斯的波动学说的观点被忽视,甚至被遗忘了近百年之久。

一世纪以后,有人使用双缝干涉实验,测出了可见光的相应波长。于是光的波动学说战胜了光的微粒学说而居于主导地位。到了十九世纪中期,电磁理论得到大力发展,英国的物理学家麦克期韦当时根据电磁理论,推断光也是一种电磁波。并推算出电磁波的传播速度为每秒30万公里,而且使推断得以证实。后来,德国一位名叫普朗克的人在做了大量的实验后又提出了电磁波这种形式的能量辐射。从而使人们认识到电磁波是某种粒子,既光量子。为了强调光的粒子属性,光量子被称之为“光子”。光子的质量在运动中显示出来。

光的基本特性,从光的量子理论可以得知,辐射的频率为光子的能量。从波动理论可以了解到。不同的振动波,其频率r是不一样的。量子理论又说明,在其间存在着E=hr关系。表明了光具有波动性和微粒性两重属性。这就使人们对光的波动性和微粒性两个矛盾,得以辨证统一起来,并用以叙述光的本质。但是,人类对光的本质认识将进一步得以深化。

二、什么是激光

激光简称莱塞laser.即Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation各字头的缩写,中文意思是受激辐射光放大。在本世纪60年代中发展最活跃的科学技术领域之一。激光是一种特殊的光源。正如我们了解到的阳光、灯光等,都是向四面八方辐射的,没有一个确定的方向传播。但激光具有高亮度、单色性、方向性及相干性好等特点。广泛应用于工业、农业、科学技术、国防等。但在医疗方面的应用更广阔。为了能很好的了解激光,就必须了解物质的分子、原子结构。

三、原子结构与光谱

1.原子结构 一切物质中我们都知道,分子是由原子组成的,而原子又是由原子核和电子构成。原子核带正电荷,电子带负电荷。原子核中所带的正电荷与核外电子带的负电荷在数值正相等,其代数和是零,使整体的原子呈中性。原子核是原子的核心,它的密度很大,不计核外电子质量,那么原子的质量就可以由核的质量来决定。核外电子一面绕原子核转,一面不停的自转。这样的运动与太阳系中各个星球围绕太阳的旋转相似。

原子核由带正电的质子及不带电的中子组成,在核内质子与中子的数目是相等的,每个质子与电子所带的电量相等,所以使原子整体呈中性。在原子核周围的电子是由静电引力把它们吸引在原子核的周围。并且电子与原子核保持一定距离。在某种原因的作用下失去核外电子,使原子转变成离子而带电。即具有电的性质。

原子核外的电子排列比较规律,不是杂乱无章地排列,是以不同层次及不同轨道排列。最靠近原子核的第一层电子与原子核的结合力最强,离原子核越远的电子层,电子与原子核之间的作用力就越小,由于二者之间的作用力越小,越容易推动电子。外层电子与原子核的结合力松散。因此在较小能量的作用下电子就可以脱离原子核,使原子变成离子。在化学反应中最外层电子为价电子。在光学中,最外层电子参与光学过程,如光的吸出,光的发射等,因此在光学中最外层电子叫光学电子。光电子与价电子指的是同一电子。

2.能级和状态原子核中电子总是不停地在自动轨道上运动,由于电子的运动时产生一定的动能,电子被核吸引则有一定势能,这两个能在原子中构成了原子内能。内能取决于核外电子与核的距离,距离增大,内能增大,反之缩小。由于核与电子距离对内能有影响,那么原子内的电子从一个自行轨道跳跃到另一轨道,这就反应了整个原子内能量的变化。一般表示原子能量的方法是把能量的大小,按比例画出数条横线,每一条线代表一个能量值。从而体现出原子能量的不断连续性只有在这些横线上能量存在。其它的地方无能量。这主要是由于原子中的电子运动的轨道是固定的。每一横线叫做原子的一个能级,把这些线画在坐标轴中,所形成的图为原子能级图。实际上要比这复杂。最下面的能级为E1,在E1能级上原子的能量状态叫原子基态,基态以上的能级叫高能级,如E2、E3…,都为激发态。一般正常情况下大多数原子都处于低能级上,只有少数在高能级中。

近代物理学中已经知道,原子核外的电子是以主量子数n,角量子数L,磁量子数m和自旋量子数s来排布。并遵循泡利不相容原理和能量最低原理逐步添满各层电子。

3.原子光谱 在正常的条件下原子外层电子总是处于最低能级轨道,以保持稳定状态。当外界有足够的力量作用于基态的原子时就可以使基态原子中的电子从它所在的轨道能级跃迁到外层高能级的轨道。这种由低能级跳跃到高能级过程叫激发。激发态的原子不稳定,总要从高能级回到低能级,以致回到基态的趋势。当原子从高能级跃迁到低能级时把所吸收的能量以光波的形式发散出来,形成大家熟知的发光现象。原子所吸收的能量,还是原子所放出的能量,都是相应能级上的能量之差。即r=1/h(En-Ek),在此公式中r是发射光波的频率,h是普朗克常数(6.623×10-24J/S),En是原子在高能级上的能量,Ek是过渡到低能级上的能量。从能量之差,可以了解到,原子核中的电子跃迁越高,在复回原级位置上时,释放的能量就越高。因此这就是产生原子光谱的原因。

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作者: prolicn

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