感應(yīng)輻射,即處于激發(fā)態(tài)的發(fā)光原子在外來輻射場的作用下,向低能態(tài)或基態(tài)躍遷時,輻射光子的現(xiàn)象。此時,外來輻射的能量必須恰好是原子兩能級的能量差。感應(yīng)輻射發(fā)出的光子和外來光子的頻率、位相、傳播方向以及偏振狀態(tài)全相同。感應(yīng)輻射是產(chǎn)生激光的必要條件。

釋義

正常情況下,大多數(shù)粒子處于基態(tài),要使這些粒子產(chǎn)生輻射作用,必須把處于基態(tài)的粒子激發(fā)到高能階上去。由于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同,相同的外界條件使原子從基態(tài)激發(fā)到各高能階的概率不同。通常把原子、分子或離子激發(fā)到某一能階上的可能性稱為這一能階的“激發(fā)概率”。

理論研究表明,光的發(fā)射過程分為兩種,一種是在沒有外來光子的情況下,處于高能階

的一個原子自發(fā)地向低能階

躍遷,并發(fā)射一個能量為

的光子,這種過程稱為“自發(fā)躍遷”;由原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光波稱為自發(fā)輻射。

另一種發(fā)射過程是處于高能階

上的原子,在頻率為ν的輻射場作用下,躍遷至低能階

并輻射一個能量為的光子,這種過程稱為感應(yīng)輻射躍遷;感應(yīng)輻射躍遷發(fā)出的光波,稱為感應(yīng)輻射。

與自發(fā)輻射區(qū)別

感應(yīng)輻射與自發(fā)輻射最重要的區(qū)別在于干涉性。自發(fā)輻射是原子在不受外界輻射場控制情況下的自發(fā)過程,大量原子的自發(fā)輻射場的相位是不干涉的,輻射場的傳播方向和偏振態(tài)也是無規(guī)分布,而感應(yīng)輻射是在外界輻射場控制下的發(fā)光過程。因此,感應(yīng)輻射場的頻率、相位、傳播方向和偏振態(tài)與外界輻射場完全相同。激光就是一種感應(yīng)輻射的干涉光。

概念理解

說明感應(yīng)輻射之前需先了解原子的能階之概念,其中發(fā)出光最重要的就是所謂躍遷。

原子結(jié)構(gòu)

原子基本上由原子核、電子組成。若有外來能量使電子與原子核的距離增大,則內(nèi)能增加;反之減少。

原子能階

波爾假說:原子存在某些定態(tài),在這些定態(tài)時不發(fā)出也不吸收電磁輻射,原子定態(tài)能量只能采取某些分立值

、

等,這些定態(tài)能量的值稱為能階。

電子通過能階躍遷可以改變其軌道,離原子核較遠(yuǎn)的軌道具有較高的能階。當(dāng)電子從離原子核較遠(yuǎn)的軌道(高能階)躍遷到離原子核較近的軌道(低能階)上時將會發(fā)射出光子。反之,吸收光子或聲子,可使電子自較低能階軌道躍遷到較高能階的軌道。每個躍遷對應(yīng)一個特定的能量和波長。

與躍遷對應(yīng)的高能階能量

和低能階能量

滿足關(guān)系式:

上式中

指真空中的光速,

為波長,

為頻率,

為普朗克常數(shù)。

背景資料

它基于偉大的科學(xué)家愛因斯坦在1916年提出了的一套全新的理論。這一理論是說在組成物質(zhì)的原子中,有不同數(shù)量的粒子(電子)分布在不同的能級上,在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā),會從高能級跳到(躍遷)到低能級上,這時將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光,而且在某種狀態(tài)下,能出現(xiàn)一個弱光激發(fā)出一個強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“感應(yīng)輻射的光放大”,簡稱激光。激光主要有四大特性:激光高亮度、高方向性、高單色性和高相干性(單色性與相干性意義相同)。

應(yīng)用

時下激光已廣泛應(yīng)用到激光焊接、激光切割、激光打孔(包括斜孔、異孔、膏藥打孔、水松紙打孔、鋼板打孔、包裝印刷打孔等)、激光淬火、激光熱處理、激光打標(biāo)、玻璃內(nèi)雕、激光微調(diào)、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復(fù)電路、激光布線技術(shù)、激光清洗等。

經(jīng)過30多年的發(fā)展,激光當(dāng)下幾乎是無處不在,它已經(jīng)被用在生活、科研的方方面面:激光針灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光測距儀、激光陀螺儀、激光鉛直儀、激光手術(shù)刀、激光炸彈、激光雷達(dá)、激光槍、激光炮等等。在不久的將來,激光肯定會有更廣泛的應(yīng)用。

激光武器是一種利用定向發(fā)射的激光束直接毀傷目標(biāo)或使之失效的定向能武器。根據(jù)作戰(zhàn)用途的不同,激光武器可分為戰(zhàn)術(shù)激光武器和戰(zhàn)略激光武器兩大類。武器系統(tǒng)主要由激光器和跟蹤、瞄準(zhǔn)、發(fā)射裝置等部分組成,時下通常采用的激光器有化學(xué)激光器、固體激光器、CO激光器等。激光武器具有攻擊速度快、轉(zhuǎn)向靈活、可實現(xiàn)精確打擊、不受電磁干擾等優(yōu)點,但也存在易受天氣和環(huán)境影響等弱點。激光武器已有30多年的發(fā)展歷史,其關(guān)鍵技術(shù)也已取得突破,美國、俄羅斯、法國、以色列等國都成功進(jìn)行了各種激光打靶試驗。時下低能激光武器已經(jīng)投入使用,主要用于干擾和致盲較近距離的光電傳感器,以及攻擊人眼和一些增強(qiáng)型觀測設(shè)備;高能激光武器主要采用化學(xué)激光器,按照現(xiàn)有的水平,今后5~10年內(nèi)可望在地面和空中平臺上部署使用,用于戰(zhàn)術(shù)防空、戰(zhàn)區(qū)反導(dǎo)和反衛(wèi)星作戰(zhàn)等。