感应辐射,即处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下,向低能态或基态跃迁时,辐射光子的现象。此时,外来辐射的能量必须恰好是原子两能级的能量差。感应辐射发出的光子和外来光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态全相同。感应辐射是产生激光的必要条件。
释义
正常情况下,大多数粒子处于基态,要使这些粒子产生辐射作用,必须把处于基态的粒子激发到高能阶上去。由于原子内部结构不同,相同的外界条件使原子从基态激发到各高能阶的概率不同。通常把原子、分子或离子激发到某一能阶上的可能性称为这一能阶的“激发概率”。
理论研究表明,光的发射过程分为两种,一种是在没有外来光子的情况下,处于高能阶E2的一个原子自发地向低能阶E1跃迁,并发射一个能量为E2-E1的光子,这种过程称为“自发跃迁”;由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。
另一种发射过程是处于高能阶E2上的原子,在频率为ν的辐射场作用下,跃迁至低能阶E1并辐射一个能量为的光子,这种过程称为感应辐射跃迁;感应辐射跃迁发出的光波,称为感应辐射。
与自发辐射区别
感应辐射与自发辐射最重要的区别在于干涉性。自发辐射是原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程,大量原子的自发辐射场的相位是不干涉的,辐射场的传播方向和偏振态也是无规分布,而感应辐射是在外界辐射场控制下的发光过程。因此,感应辐射场的频率、相位、传播方向和偏振态与外界辐射场完全相同。激光就是一种感应辐射的干涉光。
概念理解
说明感应辐射之前需先了解原子的能阶之概念,其中发出光最重要的就是所谓跃迁。
原子结构
原子基本上由原子核、电子组成。若有外来能量使电子与原子核的距离增大,则内能增加;反之减少。
原子能阶
波尔假说:原子存在某些定态,在这些定态时不发出也不吸收电磁辐射,原子定态能量只能采取某些分立值E1、E2等,这些定态能量的值称为能阶。
电子通过能阶跃迁可以改变其轨道,离原子核较远的轨道具有较高的能阶。当电子从离原子核较远的轨道(高能阶)跃迁到离原子核较近的轨道(低能阶)上时将会发射出光子。反之,吸收光子或声子,可使电子自较低能阶轨道跃迁到较高能阶的轨道。每个跃迁对应一个特定的能量和波长。
与跃迁对应的高能阶能量E2和低能阶能量E1 满足关系式:
上式中 c指真空中的光速,γ为波长,ν为频率,h为普朗克常数。
背景资料
它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中,有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,在高能级上的粒子受到某种光子的激发,会从高能级跳到(跃迁)到低能级上,这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光,而且在某种状态下,能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“感应辐射的光放大”,简称激光。激光主要有四大特性:激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性(单色性与相干性意义相同)。
应用
时下激光已广泛应用到激光焊接、激光切割、激光打孔(包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等)、激光淬火、
激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。
经过30多年的发展,激光当下几乎是无处不在,它已经被用在生活、科研的方方面面:
激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、
激光测距仪、
激光陀螺仪、激光铅直仪、
激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮等等。在不久的将来,激光肯定会有更广泛的应用。
激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的
定向能武器。根据作战用途的不同,激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成,时下通常采用的激光器有
化学激光器、
固体激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点,但也存在易受天气和环境影响等弱点。激光武器已有30多年的发展历史,其关键技术也已取得突破,美国、俄罗斯、法国、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验。时下
低能激光武器已经投入使用,主要用于干扰和致盲较近距离的
光电传感器,以及攻击人眼和一些增强型观测设备;高能激光武器主要采用化学激光器,按照现有的水平,今后5~10年内可望在地面和空中平台上部署使用,用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。