激光传感器：如何了解激光的本质

激光是在20世纪60年代初问世的。由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等特点，使其不仅成为一种新颖光源而且还发展成一种新技术-激光技术。该技术被广泛应用于工农业生产、国防军事、医学卫生及科学研究等方面。 　　

激光器是发射激光的装置。按工作物质不同可分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器和染料激光器等。它们各有各的特点和应用场合。 　　

由激光器、光学零件和光电器件所构成的激光测量装置能将被测量（如长度、流量、速度等）转换成电信号。因此，广义上也可将激光测量装置称为激光传感器。

激光的本质

原子在正常分布状态下，多处于稳定的低能级E1状态。如果没有外界的作用，原子可以长期保持这个状态。原子在得到外界能量后，由低能级向高能级跃迁的过程，叫做原子的激发。原子处于激发的时间非常短，处于激发态的原子能够很快地、自发地从高能级跃迁到低能级上去，同时辐射出光子，这种发光叫做原子的自发辐射，如下图所示。 　　

图 原子自发辐射和受激辐射 　　

进行自发辐射时，各个原子的发光过程互不相关。它们辐射光子的传播方向，以及发光时原子由髙能级向哪一个能级跃迁（即发光的频率v）等都具有偶然性。因此，原子自发辐射的光是一系列不同频率的光子混合。对于光源的大量原子来说，这些光子的频率只是服从于一定的统计规律。 　　

如果处于高能级的原子在外界作用影响下，发射光子跃迁到低能级上去，这种发光叫做原子的受激辐射。设原子有能量为E1和E2的两个能级，而且E2＞E1。当原子处于E2能级上时，在能量为hv=E2－E1,（h为普郎克常数，h=6.626×10－34J•S，v为光的频率）的人射光子影响下，这个原子可发生受激辐射，跃迁到E1能级上去，并发射出一个能量为hv=E2－E1的光子，如下图（b）所示。在受激辐射过程中，发射光子不仅在能量上（或频率上）与人射光子相同，它们在相位、振动方向和发射方向上也完全一样。如果这些光子再引起其他原子发生受激辐射，这些原子所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上也都和最初引起受激辐射的人射光子相同，如下图（a）所示。这样，在一个入射光子影响下，会引起大量原子的受激辐射，它们所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上都完全一样，这一过程也称光放大。所以在受激发射时，原子的发光过程不再是互不相关的，而是相互联系的。这种光就是激光。 

图 光的放大与吸收示意图　　

另一方面，能量为hv=E2－E1的光子在媒质中传播时，也可以被处于E1能级上的粒子所吸收，而使这个粒子跃迁到巧能级上去。在此情况下，入射光子被吸收而减少，如上图（b）所示，这个过程叫做光的吸收。 　　

光的放大和吸收过程往往是同时进行的，总的结果可以是加强或减弱，这取决于这一对矛盾中哪一方处于支配地位。