设为首页 | 添加收藏 |sitemap |百度地图 |
货真价实 坦诚无欺
新闻资讯

奥林巴斯显微镜,什么是激光?

2014-01-07  发布者:admin 

 在20世纪50年代流行的科幻影片,怪物往往描绘,可以发光的致命射线从他们的眼睛(图1),但直到激光的发明,这种集中和强大的能量光束分别只有幻想。 现在是可能的修改中,探针,或使用从已知的激光能量源的高度集中的辐射破坏的问题。 几乎所有的光,我们在我们的日常生活中看到,从太阳,星星,白炽灯和荧光灯,甚至我们的电视机,自发地发生时,原子和分子排除体内多余能量的自己。

普通的自然和人工光源被释放在原子和分子水平没有任何外部干预发生的能量变化。 但是第二种类型的光线存在,并且当一个原子或分子保持其多余的能量,直到刺激放出的能量以光的形式出现。 激光器的设计,生产和放大这种刺激光的形式进入激烈和聚焦光束。 这个词激光是杜撰的一个缩写对于L的洞察力一个mplification由S timulatedřadiation以东使命。 激光的特殊性质已经在日常生活中,包括通讯,娱乐,制造和医药的几乎每个方面做出的激光技术的重要工具。

爱因斯坦可能在不经意间已经被认识到两种类型的排放是可能采取激光发展的第一步。 在出版于1917年的一篇文章,他是第一个提出受激辐射的存在。 多年的物理学家认为,光的自发辐射是最有可能和主要形式,而任何受激发射将永远是弱得多。 但直到二战结束后,搜寻开始为有需要的受激发射占主导地位,并作出一个原子或分子激发许多人产生放大发射光的影响条件。

科学家在哥伦比亚大学的查尔斯·H.汤斯,是第一个在受激辐射放大成功在50年代初,但他的工作围绕微波(具有更长的波长比可见光),他被称为他的设备微波激射器 。 其他科学家随后在建立成功的微波激射器,以及一个显著的精力是集中在试图生产在较短波长的受激发射。 许多用于产生激光的主要概念是在开发大约在同一时间,后来在20世纪50年代,由汤斯和肖洛亚瑟(贝尔实验室),以及由戈登·古尔德在哥伦比亚大学。 古尔德提出了专利申请,而不是发表他的想法,虽然他得到的荣誉在他的笔记本电脑创造出这个词“激光”,近30年过去了,他被授予多项专利之前。 仍有分歧谁的功劳激光的概念。 两个苏联人,尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫,分享了1964年诺贝尔物理学奖与汤斯他们对底层微波激射器和激光器的原则开拓性的工作。 肖洛被授予1981年诺贝尔物理学奖的份额为他的激光研究。

汤斯出版的“和肖洛的工作激发了巨大的努力,建立一个工作激光系统。 在1960年5月,西奥多·梅曼,在休斯研究实验室工作,建成使用合成红宝石棒已被计入,因为这是第一台激光设备。 在694纳米的紧密集中的窄波束,比较典型的由目前许多激光显示的特点梅曼的红宝石激光器发出的相干红光强烈的脉冲。 第一激光使用具有镀银反射光的端部,通过一个螺旋形的闪光灯包围的小红宝石棒,并且是小到足以被握在手中。 有趣的是,休斯委托宣传的发现摄影师认为实际激光太小,不得不梅曼构成一个更大的激​​光,这是不可操作,直到后来。 有照片显示了“更令人印象深刻”梅曼激光仍然流传,并在许多出版物中使用。

虽然激光发射可见光是最常见的,基本的原则是适用通过多的电磁频谱。 第一受激发射是在频谱的微波区域实现的,但是现在的激光器可发射紫外和红外光,并正在朝着生产激光器,用于X-射线光谱区的进展。 今天在实际使用范围的激光器输出功率从不到一毫瓦连续输出的多千瓦,而一些生产瓦万亿美元的极短脉冲。 图2给出了代表性的激光器,它有很大的不同大小和应用的一些例子。 军事和其他研究实验室已经建立了激光器占据整个建筑中,而最常见的激光器使用约沙粒大小的半导体器件。

某些基本原理的理解是至关重要的受激辐射是如何产生和放大任何解释。 第一,这些原则是必要的,因为激光本质上是一种量子力学的设备,必须是为了解释激光的操作被调用能量的量子性质。 经典物理学假定能量可以连续且平滑地变化,并且该原子和分子可具有能量的任何量。 爱因斯坦的工作,这成为关键量子力学的发展,认为能量存在于离散的单元或量子以及原子和分子(和因此一切)被限制为具有能量的仅某些离散值。

几个额外的概念,它起源于光子和原子水平,并从量化的原则派生的,是必要的,了解激光手术

  • 能量在原子结果与原子相联的离散的能量水平量化。
  • 转换从一个能级到另一个必须能够以用于光发射的发生。
  • 几种类型的过渡的发生和影响能量中涉及的过渡量。
  • 自发和受激发射有可能从能量转换。
  • 之间的能量水平人口反转必须实现以扩增能量的受激发射。

如果一个原子或分子在于能量的状态,是比最低的,或地电平状态越高,它可以自发下降到一个较低的水平,没有任何外界刺激。 下降到降低能量状态的一个可能的结果是将多余的能量(相当于在两个能级之差)的释放光的光子。 激发的原子或分子具有特征的自发发射的时间,这是所需的平均时间,它们仍然处于激发较高能态它们落之前为较低的能级和发射一个光子。 的发射时间是在生产的受激发射,提出爱因斯坦所述第二类型的一个重要因素。

而在激发态中,如果原子被照射具有完全相同的能量会自发地发生的过渡传入的光子时,原子可被传入的光子激发,返回到低状态,并同时发射一个光子在该同样的跃迁能量。 因此,一个单光子与激发态原子相互作用可导致两个光子被发射。 如果所发射的光子被​​看作是一个波时,受激发射将振荡入射光的频率,并在相(相干),导致原来的光波的强度的放大。 图3示出了自发(a)及刺激(B)的发射与所导致的后一种情况下的两个相干波。

在实现受激发射的激光的主要问题在于,热力学平衡,人口,或在每个能级的原子或分子的数量在正常状态下,是不利于的受激发射。 因为原子和分子自发地跌落到较低能量水平的倾向,在各能量电平的数目会随着能量增加而增加。 事实上,在正常情况下,对于一个跃迁能量相应于一种典型的光​​学波长(1电子伏特的量级),原子或分子中的较高能态的数目对在较低的地面状态的数量的比率也许是10 C 17。 换句话说,几乎所有的原子或分子的基态为可见光波长的能量转换。

该受激发射的原因是难以实现的考虑周边从与光的后续和自发发射激发态的电子的衰变的可能的事件时变得很明显。 所发射的光可以很容易地激发发射从另一个退出原子,但是这么几个可用的发射更可能首先会遇到在基态的原子,并且将被吸收,而不是(图3(c))。 因为原子在激发态的数量是如此微乎其微就在基态的数目,所发射的光子具有的被吸收更大的可能性,使受激发射微不足道时相比(在热力学平衡)的自发辐射。

由受激发射,可向主导机制是有处于兴奋状态比在较低的能量状态原子的位置,以使发射的光子更容易激发发射比被吸收。 因为这种情况是正常的平衡状态的倒数,它被称为粒子数反转 。 只要有在上部的能量水平比在较低的多个原子,受激辐射可以占主导地位,而光子的结果的级联。 第一发射光子会刺激更多的光子的发射,这些随后刺激的更发射,等等。 光子的产生级联的增加,从而导致发射的光的放大。 如果粒子数反转终止(基态人口成为主导),自发辐射将再次成为青睐的过程。

在爱因斯坦的建议的时候,大多数物理学家认为比热力学平衡其他任何条件不稳定,不能持续。 但直到第二次世界大战后认真考虑了生产所必需的人口倒置,以维持受激辐射的方法。 原子和分子可以占据很多的能量水平,虽然某些跃迁比其他人更可能(由于量子力学的规则和其他原因),过渡可以在任何两个电平之间发生。 最低要求的受激发射而放大或激光作用,是在至少一较高能级必须高于一个较低的电平更大的人口。

粒子数反转可以通过两种基本机制,通过创建一个多余的原子或分子在一个较高能态,或通过减少低能量状态的人口来制造。 一种系统,也可以选择不稳固在较低的水平,但对于连续激光手术,注意力通常必须支付给两个填充的更高水平和人口减少较低的水平。 如果有太多的原子或分子聚积在较低的能级,粒子数反转将会丢失,激光作用将停止。

用于产生粒子数反转的激光介质中的最常见的方法是能量添加到系统中,以激发原子或分子到更高的能级。简单地通过热搅拌该介质中添加能量是不够的(下热力学平衡),以产生粒子数反转,因为热不仅增加了群体的平均能量,但不会增加物种的激发态相对于在数较低的状态。 原子的数目的在根据热力学平衡两个能级(1和​​2)的比率由下式给出下列公式

N2/N1 = exp[- (E2 - E1) / kT]

其中N(1)N(2)是原子的第1级和2分别电平数字,E(1) ​​和E(2)是第2级的能量,k是玻尔兹曼常数,T为在开尔文温度。 就证明了方程,在热力学平衡,N(2)可以大于N(1)仅在温度为负数。 在描述微波激射器和激光作用的研究发表,物理学家称为粒子数反转为负温度 ,这是象征他们认为比热力学平衡其他任何条件不太可能持续下去。

以产生所需的粒子数反转为激光的活性,原子或分子必须是有选择性兴奋特定能量水平。 光与电是首选大多数激光器的激发机制。 光或电子可提供激发的原子或分子,以选定的较高的能量水平所必需的能量,而不是必需的能量的转​​移直接促进电子向激光跃迁的特定水平上。 有些方法可以是相当复杂的,但这些往往会产生性能更好的激光器。 一种经常使用的方法激发比所需的原子或分子,以更高的能级,然后将其滴在上激光能级。 间接激励可以被用来激发原子在周围的气体混合物,然后它们的能量转移到原子或分子负责产生激光作用。

如前面所讨论的,时间由处于激发态的原子或分子所花费的金额是确定它是否将被刺激到发射和参与光子的级联反应,或通过自发发射失去其能量的关键。 激发态通常有只有纳秒寿命,才由自发发射,经过一段时间,是不是足够长由另一个光子可能发生的刺激释放自己的能量。 激光作用的关键要求,因此,是一个较长的寿命的状态是适合于上能级。 这样的状态确实存在对某些材料,以及被称为亚稳状态(参见图4)。 自发发射前的平均寿命时为亚稳态是一微秒到毫秒,时间很长的时间在原子尺度的量级。 有了这个寿命长,激发原子和分子可以产生显著量受激发射的。 激光作用是唯一可能的,如果人口积聚速度比它衰变在上部的能量水平,保持人口较下层的大。 的自发发射寿命更长,更适合的分子或原子是用于激光应用。

查尔斯汤斯事先第一台激光器的展示了微波激射器是显著,因为它需要创建一个粒子数反转,以功能,因此证明许多持怀疑态度的物理学家,这样的反转可以生产。 他的系统是一个两级微波激射器,仅利用上部和下部的能量水平。 汤斯采用一种新的方法在他的氨分子系统产生的粒子数反转 - 该分离基态分子激发氨分子的分子束技术。 基态分子被丢弃,并且将分离的激发分子构成所需的粒子数反转。 另外,更高效,装置现在已经被开发用于微波激射器和激光器的实际需要的三个,四个或更多能级的利用率。

最简单的功能的能级结构为激光器操作是一​​个三电平系统,它是示于图4(a)所示。 在这个系统中,地面状态是较低的激光水平,粒子数反转是这个水平和较高的能量亚稳态之间建立。 大多数的原子或分子的最初激发到一个短暂的高能量状态比所述亚稳态水平。 从该状态便迅速衰减到中间亚稳能级,因而具有更长的寿命比更高的能量状态(通常在1000倍以上的数量级)。 因为在亚稳状态的每个原子的停留时间相对长,人口趋于增加,并导致亚稳态和下基态(其被连续地被过稀的最高水平)之间的粒子数反转。 受激发射结果的事实,更多的原子是在上兴奋的(亚)状态比可在较低的状态下,光的吸收最有可能发生的。

虽然三能级激光系统,适用于所有的实际目的,其实例梅曼的第一激光,存在的一些问题限制了这种方法的有效性。 发生的中心问题,因为较低的激光电平是地电平,这对于大多数的原子或分子的正常状态。 为了产生粒子数反转,多数基态的电子必须被提升到高度兴奋的能量水平,需要外部能量的显著输入。 此外,粒子数反转是难以维持为可观的时间,因此,3级激光器必须在脉冲模式下操作,而不是连续进行。

使用四个或更多能级激光器避免一些上述的问题,因此是更常用的。 图4(b)示出了一个4级的情况。 的能级结构类似,在三电平系统中,不同​​之处在于后的原子从最高级别下降到亚稳状态上,它们不会掉落一路到接地状态中的单个步骤。 因为粒子数反转是不接地状态和上层之间产生,必须升高的原子或分子的数目在该模型中显着地降低。 在一个典型的四能级激光系统,如果原子或分子只有1或2%的驻留在较低的激光水平(这是在地面上的状态),然后激动人心只有两到四个%的总的上级将达到所要求的粒子数反转。 分离从地电平较低的激光水平仪的另一个优点在于,低级别的原子会自然下降到基态。 如果在较低的激光水平具有寿命比上层短得多,原子会衰减到足够的速率,以避免在较低的激光水平积累的接地电平。 许多根据这些限制而设计的激光器可以以连续的方式进行操作,以产生一个不间断的光束。

实际工作的激光器通常远比以上描述的模型更加复杂。 上激光水平往往不是一个单一的水平,但一组的能级,使所需的激发能在操作过程中在很宽的范围内。 下层还可以包括多个级别,并且如果紧密间隔的上级的每个衰减到不同的较低级别,单个激光器可在多个转换操作,产生一个以上的波长。 氦 - 氖激光,例如,最常用的为发射单一的红色波长,但它也可以在其他的转换操作,以产生橙色,黄色,绿色和红外辐射。 存在于实际的激光器,包括活性介质的性质而设计的许多其它因素。 多种气​​体或分子种类的其它组合,通常采用来提高捕获和传送的能量的效率,或协助人口减少较低激光水平。

该微波激射器和激光器实际上可以产生具有里程碑意义的演示之前,科学家们忽略了在外太空存在自然产生的微波激射器(图5)的事实。 即使在受激发射爱因斯坦的预言,大多数物理学家认为,产生粒子数反转是如此困难,这是不太可能发生的性质。 实际上,科学家们显然没有认真考虑这个问题可能比在热力学平衡的状态下自然存在。 所谓的宇宙微波激射器包括来源,如各地的红巨星,彗星,超新星遗迹,和其他恒星形成的分子云的信封。 在气体云包围炙手可热的明星,从恒星发出的辐射能够激发气体分子以较高的能量水平,然后衰减到稳态。 只要合适的较低的激光水平存在时,粒子数反转的发生原因,这将导致激光器的动作。 虽然过程是相同的人造微波激射器或激光,和大量的能量,可以辐射,恒星激光或微波激射能量发射不局限于一个光束。 由宇宙微波激射器发出的辐射向外传播的,就像任何其他的星际热气体云中的能量四面八方。

除了建立一个粒子数反转的,其他一些因素都需要放大和光集中成一激光束。 从在激光介质产生的受激发射的光通常具有单一的波长,但是通过一些机制,包括放大,必须有效地提取从培养基中。 完成该任务的一个谐振腔 ,它反映了某些排放回到激光器介质的,并且通过多个交互,生成或放大的光强度。 例如,在初始受激发射之后,两个光子具有相同的能量和相位是每个可能遇到受激原子,这将随后发射具有相同能量和相位甚至更多的光子。 由受激发射所产生的光子数量的快速增长,以及增加直接正比于激光介质的光传播的距离。

示于图6是增益或放大,即发生在谐振腔内,由于反射镜的每一端增加的路径长度的图示。 图6(a)示出了受激发射,这是在图6中放大的(b)至图6(g)在光从位于所述腔体端部的反射镜反射的开始。 每遍过程中通过部分反射镜的光的一部分通过上腔的右手侧(图6的(b,d和f))。 最后,在均衡状态(图6(h))后,腔体是饱和的受激发射。

放大的激光,用术语表达的增益达到的程度,指的是受激发射的光子可以产生在其行进给定距离的量。 例如,每1.5厘米的增益意味着一个光子产生1.5额外光子每行进厘米。 这将导致一个放大系数与激光腔中的路径长度增加而增加。 实际的增益是更复杂的,并且取决于在上部和下部的激光的能量水平,以及其他因素之间的人口分布的波动。 重要的一点是,扩增急剧增大的距离的量,通过将激光介质行进。

在同一个纵向谐振腔,诸如红宝石棒或气体填充的管构成的激光,光行进沿着激光介质的长度产生比垂直于所述腔的长轴发射的光更受激发射。 因此,光发射是沿空腔的,即使没有使用反射镜来限制它的路径的长度方向的长度浓缩。 放置反射镜在激光腔的相对端部使光束向来回移动,这导致增加的扩增由于通过介质的路径长度更长。 多次反射也产生一个狭聚焦束(一个重要的激光特性),因为只有光子行进平行于腔壁将来自两个反射镜被反射。 这种安排被称为一个振荡器 ,是必要的,因为大多数的激光的材料具有非常低的增益和足够的放大,只能用一个长的路径长度通过介质来实现。

大多数当前的激光器的设计与谐振腔,以增加光需要通过激光介质的路径两端的反射镜。 发光强度的增长与光的每遍,直到它到达一个由空腔和反射镜的设计建立了一个平衡级。 一个腔反射镜反射几乎全部的入射光,而其它(输出镜)反射一些光,并将一部分作为激光束发射。 在一个激光器具有低增益,输出镜被选择来传输只有一小部分的光的(也许只有百分之几),并反映了广大放回腔。 在平衡状态下,激光功率越高空腔内部比外部,并且随着光通过输出镜透射的百分比。 通过增加输出镜的透射率,所述腔体的内部和外部之间的功率差可以减小。 然而,只要在输出镜反射的光的某些部分放回腔,电源内部保持高于新兴光束中更高。

大约从所有发出的光被反射在腔内来回,直到一个临界强度达到,于是一些“逃逸”,通过输出镜作为光束的想法激光器结果一个常见的​​误解。 在现实中,输出镜总是发射光的光束的恒定部分,反射其余部分返回到腔中。 这个功能是重要的,使激光器达到平衡状态,具有的功率电平的内部和外部的激光成为恒定。

由于该光来回振荡的激光腔中的事实, 共振现象成为激光强度的放大因子。 根据受激发射和腔长的波长,该波从末端反射镜反射要么长干涉和被强烈放大,或相消干涉而抵消激光活性。 因为在腔体内的波都是相干和同相的,它们会从一个腔反射镜反射时保持同相。 浪也将在相位在到达对面镜,设置在腔体的长度等于波长的整数倍。 因此,使一个完整的振荡在腔内后,光波走过的路径长度等于所述腔室长度的两倍。 如果该距离为波长的整数倍时,则波将所有由相长干涉增加幅度。 当空腔不是激射波长的整数倍,会发生相消干涉,破坏激光作用。 下面的等式定义了必须满足的强扩增发生在激光腔中的谐振条件

N • λ = 2 • (Cavity Length)

其中,N是整数,并且λ是波长。 用于谐振的条件不是关键的,因为它可能出现,因为实际的激光跃迁在腔分布在一定范围的波长,称为增益带宽 。 相比典型的激光谐振腔的长度的光的波长是非常小的,并且在一般情况下,通过空腔的完整的往返路径将等于被放大的光的几十万波长。 共振有可能在每个积分波长增量(例如200,000,200,001,200,002,等等),并且由于相应波长非常接近,它们落入激光器的增益带宽之内。 图7示出一个典型的例子,其中N个几个共振值,称为激光的纵模 ,贴合的增益带宽之内。

激光束具有某些共同的特征,但也各不相同,以广泛的程度相对大小,发散,并在光束直径的光分布。 这些特性在激光谐振腔(共振器)的设计中,光学系统控制光束强烈地依赖,无论是在所述腔和后输出。 虽然激光可能会产生光的均匀明亮的光点时,投影到一个表面,如果光强度在光束的横截面测量在不同的点时,将发现不同的强度。 谐振器的设计也影响光束发散,度量光束从激光增大扩频为距离。 光束发散角是在计算的光束直径在给定距离的重要因素。

在许多先前的讨论中,假设是,反射镜的激光谐振腔的两端是平面的,或平的。 概念上,这是最简单的配置,但实际上它可以是非常难以实现的。 如果两个反射镜是不准确对齐,会发生过度的光的损失,可能会导致激光停止运行。 甚至不对准一个小数度的,几个连续的反射后,可导致从所​​述腔​​体的侧面显著光损失。 如果一个反射镜的一个或两个具有弯曲的表面,由于不对中的光损耗可减少或消除。 因为曲面镜的聚焦性能,光被限制到空腔,即使反射镜没有精确对准,或者如果光不被精确地沿着空腔轴射出。 还有一些设计上的变化是采用的平面和曲面的反射镜不同的组合,以确保光线总是聚焦背朝向相反的镜像。 这种类型的配置被称为一个稳定的谐振器 ,因为光被反射从一个镜像到另一个将继续无限期地振荡,如果没有其他的损失。

在具有低增益激光介质,稳定的谐振器是在最大限度地利用受激发射的非常重要。 在高增益激光,从腔体的侧面低水平的损失是不严格的。 事实上,某些不稳定谐振器的设计可能是优选的,因为它们常常具有从激光介质内较大体积收集能量的优点,即使它们允许光损失。 在高增益激光反射镜往往比具有较低的增益激光系统更透明,让一个给定的光线可能只出现在光束中通过前腔旅行一次。 因此,反射镜的取向是不至关重要的,因为在低增益的设计,其中的输出镜的高反射率使光出现之前被反射多次。

激光谐振腔长度和光相互作用的波长,以产生光束的能量分布的纵向模式,但谐振器的设计是一个关键的因素在决定整个光束的宽度的光强分布,以及所使用的速率的光束发散。 整个光束的强度由梁的横向模式来确定。 在光束强度的分布可能是由某些所谓的边界条件的限制,但通常的光束具有一个,两个,或更多的中央的峰,具有在边缘强度为零。 的各种模式被指定为TEM(百万)模式 ,参照 T ransverse,E LECTRIC和M铁磁介质模式,分别为,其中m和 n是整数。 该整数指示最小值的数目,或零强度点的光束在两个垂直方向上的边缘之间(E模式为第一和M-模式下 ,第2次)。

一个典型的激光束是亮的中心和强度向边缘脱落。 这代表了最简单的一阶模式中,被指定的TEM(00),并且具有横跨下面的高斯函数的光束的强度分布。 图8说明了几个在众多的TEM(百万)模式是可能的。 虽然一些稳定的谐振器的激光器,特别是那些设计用于最大输出功率,在一个较高阶模式的一个或多个操作时,通常需要抑制这些振荡。 第一阶模式可以容易地在稳定的谐振器的低增益的激光器而获得,并且是优选的方式,因为光束由于衍射传播可以接近理论最小值。

衍射起着决定的激光光斑可以投影到一个给定的距离的大小有重要作用。 在所述谐振器腔的光束的振荡产生一个窄的光束,随后发散在某些角度取决于谐振器设计中,输出孔径的尺寸,并且在梁上产生的衍射效应。衍射通常被描述为一个光束扩展效应的结果,从衍射环(称为艾里环)围绕一个光束,当光波通过小开口过去了的形成。 这些衍射现象穿过一个光学系统后的光点的最小直径加以限制。 用于激光,光束新兴从输出镜可以被认为是作为开口或孔,光束被反射镜上的衍射效应将限制最小发散性和光束的光点尺寸。 在透射电子显微镜(00)模式的光束,衍射,通常是在光束发散角的限制因素。 光束发散之面值由下式给出的简单关系

Divergence (in radians) = Constant • Wavelength / Beam Diameter

如果激光束穿过一种光学系统,在上述方程中的适当的直径值是通过该光束经过最后一个元素。 该常数取决于在光束中的强度分布,而且是非常接近于中值。 的关系清楚地表明,光束发散角随波长增加而增加,随梁(或输出镜头)直径增大。 换句话说,一个较小直径的光束将遭受比大型光束发散更多和更大的传播距离。

光束发散角的对于一个给定激光的值可以有很大的实际意义。 氦氖激光和半导体激光已成为测量领域的标准工具。 在激光测距,快速激光脉冲被发送到一个角反射器在被映射的位置,并在返回脉冲的延迟被精确地测量,以从激光位置获得的距离。 在惯常的短距离,光束发散的是不是一个显著问题,但是对于较长距离的测量,过度发散可以减少反射光束的强度,并妨碍检测。 在阿波罗11号和阿波罗14号任务美国宇航员放置在被雇用的,从在麦克唐纳天文台在德克萨斯州一个强大的脉冲红宝石激光反射光线的月亮角反射器。 虽然梁已蔓延至3公里的月球表面的半径,反射光仍然有足够的强度在地球上被检测到。 从月球到德州天文台的距离进行测量,在15厘米,这个实验,但自80年代以来,技术进步提高了精度小于2厘米的价值。 目前正在努力雇用强大的望远镜利用月球上的几个反射器,以进一步减少误差,也许是为了低至1毫米到发送和接收光脉冲。

因为产生激光作用的机制涉及提高的原子或分子以高的激发状态,以便产生所要求的粒子数反转,这是显而易见的某种形式的能量必须消耗到激光系统。 光子可以被用来提供所需的能量在被称为光抽运的方法。 通过照射激光材料与光的适当波长的光,发射的原子或分子可以被提升到上部的能量级,从那里再下降到亚稳能级,并随后变成激发而发光。 幸运的是,在大多数激光器,用于泵浦光不具有特定波长的要求,这主要是因为激光可以具有多个上部的水平,都可以衰变到亚稳能级。 因此,廉价的光源发射宽波长范围内,如白炽灯或闪光灯管,通常可以用于光学泵浦激光器。 这限制了激光效率的重要因素是,泵浦光的光子必须具有更高的能量(或等效的更短的波长)比激光光。

电泵浦是在气体和半导体激光器通常用于激励的另一种机制。 在气体激光器,流过气体的电流激发的原子和分子成必要的上能级开始腐烂,或衰变系,产生的激光发射。 有些气体激光器通过一个恒定的电流通过气体产生连续输出,而其他人使用电流脉冲来产生脉冲激光输出。 一些高功率激光器甚至使用导入的激励气体的电子束。

半导体激光器工作在一个非常不同的方式,而且还依赖于电电流,以产生必要的粒子数反转。 在这些装置中的反转产生的载流子(电子和电子 - 空穴对)在半导体的异种区域之间的交界处的平面的群体之间。 光发射的半导体激光器是通过从晶体切割端反馈(图9)集中在结平面。 芯片材料具有高的折射率,并且反映了足够的光线返回到晶体来实现增益。 切割的面也可以被抛光,以控制反射率。 通常情况下,晶体的一端被涂有反射材料,使得发射只发生从单端,如图所示9。 低得多的电势和电流是必需的在半导体激光器相比,气体激光器。

能量转移的其他方式都不太常用功率激光跃迁。 核或化学反应可以被用于在一些激光器产生激发物种。 气体激光器可使用不同的气体的组合来进行激光加工。 在氦 - 氖激光,氦原子从即引起电输入,然后将其转移到存在的氖气在非常接近的能级的气体放电中获取能量。 激光跃迁随后发生的氖气中,以产生激光发射。

激光本身效率低下。 能量必须被提供给激光器,以及一些是失去了在转换到在激光光的形式更高度有序的能量。 如上所讨论的,对于一个光学泵浦激光,激光输出总是较长的波长比激发光。 在那段发生在三级和四级激光能量水平的变化会发生其他的能量损失。 下面的初始励磁到上层,激光跃迁自身可能仅释放能量的一部分,特别是与其余被输给其他进程。 在一些系统中,具有高能量的激光过渡,大量的能量必须被消耗只是为了提高激光的物种到合适的水平,远高于基态。 激励,无论是电子或光学手段,是不是100%的效率 - 能量是永远不会完全被激光介质吸收。 所有这些主要因素,而一些轻微的不提到的,严重限制了激光的总效率。虽然最有效的半导体激光器和某些气体激光器可以转换几乎10%的输入能量为激光光线,典型的激光器具有1%或更低的总效率。

在自1960年以来几十年中,激光已经从科幻小说的幻想,在实验室研究的好奇心,在深奥的科学应用的价格昂贵,但非常有价值的工具,其目前的作用,作为日常工作的组成部分平常,比如阅读杂货价格或测量房间的墙纸。 二十世纪的重大科技成就任何实质性的名单将包括接近顶部的激光。 激光在当前生活的各个领域的普及程度可以通过,利用激光技术应用的范围内最好的赞赏。 在此范围内壮观的结束是军事上的应用,包括使用激光作为武器,以对抗可能的导弹攻击防御。 在另一端的日常活动,如播放音乐光盘和打印或复印纸张文件。 是激光指针,一旦花费数百美元作为廉价的钥匙链配件出售,甚至木匠的水平和简单的测量器件集成激光器。

在梦幻般的和普通之间,激光器被广泛应用于医学治疗和手术,并在切割和焊接一切从用于服装到钢铁,橡胶,并在汽车和家电的制造中使用塑料面料。 从激光器的热被利用于点焊金属,以及在医疗过程一般细腻重新附加视网膜,已成为在人眼分离。 其他高度精密的医疗程序,如修复血管损伤和切割和熔化组织使用激光例行完成的。 全球电话通信的很大一部分都采用了光缆英里发送脉冲激光信号,和文物,如古画,往往是评估的缺陷,用激光的帮助下恢复进行。 随着计算机,集成电路,卫星,激光技术似乎注定要在重要的增长在我们的日常生活中不是梦想只是一个短短的几年前的方式。