为啥激光是一条线？

2023-06-21

本文主要是 为什么激光是一条线？ 相关的知识问答，如果你也了解，请帮忙补充。

射一条线是因为激光遇到空气中的微粒发生了散射，一部分散射光进入人眼的结果，若是在超净空间中，是不会出现一条线的情况的。

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效应和成果，从而促进社会的发展。

1、概念
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发眀，被称为“最快的刀”、

“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。

激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。

2、激光50年发展时间表

1917年：爱因斯坦提出“受激发射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。

1953年：美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（英文首字母缩写maser）

1957年：Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利，相关法律纠纷维持了近30年。

1960年：美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光

1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。

1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。

1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。

1971年：激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。

1974年：第一个超市条形码扫描器出现

1975年：IBM投放第一台商用激光打印机

1978年：飞利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机，不过价格很高

1982年：第一台紧凑碟片（CD）播放机出现，第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。

1983年：里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器

1988年：北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。

1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造

1991年：第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。

1996年：东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器

2008年：法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤

2010年：美国国家核安全管理局（NNSA）表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘（质量数2）和氚（质量数3），解决了核聚变的一个关键困难。

3、发展前景
激光是20世纪60年代的新光源，具有方向性好、亮度高、单色性好和高能量密度等特点。以激光器为基础的激光工业在全球发展执着迅猛，现在已广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科研等方面。据统计，从高端的光纤到常见的条形码扫描仪，每年和激光相关产品和服务的市场价值高达上万亿美元。

前瞻产业研究院发布的《中国激光行业发展前景与转型升级分析报告前瞻》显示，激光行业已形成完整、成熟的产业链分布。上游主要包括激光材料及配套元器件，中游主要为各种激光器及其配套设备，下游则以激光应用产品、消费产品、仪器设备为主。

当前，国内激光市场主要分为激光加工设备、光通信器件与设备、激光测量设备、激光器、激光医疗设备、激光元部件等，其产品主要应用于工业加工和光通信市场，两者占据了近7成的市场空间。 参考知识1 严格来讲的话，激光的光束不算是一条线的，激光本身其实是发散的，不过是因为速度极快，各种放向的粒子来不及发散，因此会被看成一条线。
“激光的电磁场为局限在直线上”不确切，确切的说应该是高斯光速，它比普通光速发散小。它是相干光+光学腔模型理论计算结果，又符合实验的。不用数学的简单解释很难，只能试着解释，相干光所以比自然光发散小，那是因为由于其相干性使得传播到远离光速中心的空间部分的电磁场互相抵消掉了，所以集中了，而自然光由于不相干不能抵消掉，所以发散。
激光和普通的光完全不同日常生活中我们见到的光源大多数是不相干的光源，例如手电筒的光，太阳的光以及电灯泡里发出的光。所谓的不相干，是指从这些光源里面发出的光有两个共同特点，都是由不同颜色的光组成，看起来都是白光，而且这些不同颜色的光，甚至是其中颜色相同的光，偏振的方向都不一样

具体来说，第一，它们发出的光在各个频率上都有分布，换句话说，它们是由各种不同的颜色组成的，这些不同颜色的光叠加在一起，发射到我们眼里，我们看到的都是白色的光。第二，这些不同颜色的光，甚至是其中颜色相同的光，偏振的方向不一样。偏振就是指光的振动方向，比如说从智能手机屏幕里发出的光就是偏振的，当我们带着偏振墨镜去看手机屏幕，只能从一个方向看到屏幕上的内容。当转动屏幕到一定角度时，屏幕上的内容会完全消失，这时手机屏幕光的偏振方向和墨镜所允许的偏振方向完全垂直，所以我们看不到屏幕上的内容。 参考知识B 因为激光的波长在人眼可感知的波长范围内，而大气，水等介质通常都是不那么纯净的，有灰尘，或其他粒子在其中，于是空气变成了“气溶胶”激光束在其中传播时自然发生丁达尔效应，产生漫反射，所以可以看见一条亮光。

研究表明，任何工作物质，在适当的激励条件下，可在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转。若原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1，E2和E1能级上的布居数密度为N2和N1，在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时，两种过程的几率相等。在热平衡情况下N2<N1，所以受激吸收跃迁占优势，光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使N2>N1，这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下，受激发射跃迁占优势。光通过一段长为l的处于粒子数反转状态的激光工作物质（激活物质）后，光强增大eGl倍。G为正比于（N2-N1）的系数，称为增益系数，其大小还与激光工作物质的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。如果，把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜（其中至少有一个是部分透射的）构成的光学谐振腔中，处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外：轴向传播的光波却能在腔内往返传播，当它在激光物质中传播时，光强不断增长。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗δ（G0l是小信号增益系数），则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）。 参考知识C 出射一条线是因为激光遇到空气中的微粒发生了散射,一部分散射光进入人眼的结果,若是在超净空间中,是不会出现一条线的情况的,这和功率没有关系。
激光射出点是一个点，射中点也是一个点（在目标物上）。从射出点到射中点是一条线呢。因是光的直线传播。只是这光线有时看不见。而看见是因为光的路径上有尘埃对激光散射。
以前的激光不叫“激光”，叫“镭射”，它只是激光英文名“laser”的音译，所以，当你看到“镭射”两个字的时候，不必慌张，不要害怕，its Chinese name is而提到“激光”，就不得不提到我国著名物理学家钱学森了，这个词正是由他翻译提出的。
因为这个词更能描述激光的本质（本质是受激辐射，简单来说就是受到刺激发出来的光啦），所以普遍被中国学者们接受。第一台激光器——红宝石激光器——诞生于1960年，而早在1916年，天才物理学家 爱·啥都懂·因斯坦就建立了激光的理论基础——受激辐射。1.激光工作物质
工作物质直接决定了激光器的价格，想想我们生活中的激光笔，看到的舞台灯光表演，除非家里有红宝石，蓝宝石矿，绝对不会用宝石来当作工作物质啦。目前市场上用的绝大多数工作物质是价格较低的半导体，几乎90%的激光器都是半导体激光器，当然还有液体，气体等激光器。2.激励源
在使用激光有关产品的时候，产品都会提示”切勿直视“的字样，原因就在于其光的能量大，且集中，易伤眼。那么，这样的能量哪里来的呢？
肯定不是凭空产生的啦，因为首先就不符合能量守恒定律。这些能量（光能，电能，化学能等）来自外界，通过激励源的作用，刺激工作物质，工作物质就发出了光。
这也说明了为啥这光叫”激光“了。
更进一步说，激光器，就是一台能量转换器，将其他形式的能量转换成光能。3.光学谐振腔工作物质发出来的光，并没有直接射到外面，而是来到了谐振腔——由两个镜片构成的腔室。发出来的光在两个镜片之间不停的反射，最终在方向上达成一致，不一致的早就从其他地方散失点了，这就是为什么激光射出去是一条直线，而普通光源就是四面八方。从第一台激光器诞生，直至发展到现在，产生了各型各式的激光器，但他们的这三大基本结构从来没有改变过。激光器的出现，区分了现代光学技术和古老光学技术，具有划时代的意义，对人类各个领域都产生了重大影响。比如军事，雕刻，测量等方面。
经过几十年的发展，它早已走出实验室，成为了我们生活中常见的一样东西了。 参考知识D 激光能被看见，可以用丁达尔效应解释
高中化学课本中说“丁达尔现象是指可见光束在胶体中传播时受到胶体粒子的阻挡而发生的漫反射现象”
首先，激光的波长在人眼可感知的波长范围内，而大气，水等介质通常都是不那么纯净的，有灰尘，或其他粒子在其中，于是空气变成了“气溶胶”激光束在其中传播时自然发生丁达尔效应，产生漫反射，所以可以看见一条亮光。
而在纯净的介质中就不会发生这种情况，如在真空中只能逆着激光发出的方向看见一个亮点，而非亮线。先上一段三段论来解答激光是什么物质：

光是电磁波

激光是一种光

激光是电磁波

Q.E.D.

知道了激光是电磁波后，我们再来简单分析一下它是怎么产生的。其实激光的英文“Laser”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写，也就是“通过受激辐射产生的光放大”。因此要搞懂激光是怎样产生的这个问题，我们需要认识一下什么是“受激辐射”。

图1[1] 原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收示意图 （a）自发辐射（b）受激吸收（c）受激辐射
原子内部的电子会处在不同能级之间跃迁，因此会发生自发辐射、受激吸收、受激辐射等现象。受激辐射就是物质在一束频率为 v （ hv=E_1-E_2 ）入射光的刺激下，电子会从高能级 E_1 向下跃迁低能级 E_2 ，同时向外发射出一束频率同样为ν的光，称为受激辐射光。

但这一束受激辐射光还远不能满足激光亮度高、单色性好、相干性好的条件。为了产生高质量的激光，我们需要制造专门的激光器，其中最重要的三部分就是泵浦源、工作物质、谐振腔。

图2 激光器主要部件示意图
泵浦源的作用是使工作物质中的高能级电子数大于低能级电子数，从而使工作物质表现出向外辐射光线而非吸收。可以使用适当频率的脉冲光去照射工作物质，称为光激励。也可以将电子加速打在工作物质上，称为电激励。

激光器的工作物质是发生粒子数反转，产生受激辐射光的主要场合，常见的有蓝宝石（ Al_2O_3 ）、钇铝石榴石（ Y_3Al_5O_12 ）等。

在产生足够的粒子数反转，放出受激辐射光后，还需要对光线进行放大。放大过程在谐振腔内进行。如图3，谐振腔两侧为平行的反射镜，其中一侧为全反射镜，另一侧为反射大部分光线的镜子。当工作物质产生受激辐射光后，会在谐振腔中传播。这样凡是不沿垂直镜面方向传播的光线在多次传播后便逸出腔外，只留下沿腔体轴向传播的光线，这部分光线又在工作介质中不断诱发受激辐射，产生大量同频率的光子，这个过程不断循环，从而实现在部分反射镜透射出的光线具有极高的单色性和相干性，可以称之为“激光”了。