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激光传感器:如何了解激光的本质

2019-08-12 15:26:58

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。 

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