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科学普及

激光的特性

稿件来源: 发布时间:2010-05-03
   激光具有高单色性,高亮度性以及高定向性。

   激光的高单色性

   一般理疗上常用光源,有热光源(如白炽灯、红外线灯)和气体放电发光光源(如紫外线灯)。这类光源的发光物质比较复杂,以自发辐射形式产生光子,发出的光线很不纯,它们的谱线范围是连线的或是带状的光谱。

  一般“单色光”被分光镜分解后,它也不是连续的色带,而是一条条独立的、并且具有特定位置的亮光,通常称这为谱线。临床上所谓的单色光也并非是单一波长的光,而是有一定波长的谱线。波长范围越小,谱线宽度越窄,其单色性也越好。因此,谱线的宽度是衡量光线单色性好坏的标志。激光是物质中原子(或分子、离子)受激辐射产生的光子流,它依靠发光物质内部的规律性,使光能在光谱上高度地集中起来。在激光的发光形式中,可以得到单一能级间所产生的辐射能,因此,这种光是同波长(或同频率)的单色光。光谱高度集中时,其纯度甚至接近单一波长的光线,例如氦-氖激光就是6328的单色红光

   激光的高度定向性

  激光的散射角非常小,通常以毫弧计算。例如红宝石激光的散射角是0.18°,氦-氖激光只有1毫弧度。因此,激光几乎是平等准直的光束,在其传播的进程中有高度的定向性。手电筒照明时,由于光的散射角大,远达数十米后,光散开并形成大而暗淡的光盘。激光由于散射角小,可以准直地射向远距离目的物。1962年,将激光发射向月球,经过40多万公里的进程后,其散开的光斑的直径也不过只有两公里多。利用激光的准直性进行测距,从地球到月球之间的误差不超过1.5m。

  由于激光的单色性和方向性好,通过透镜可以把光束集中(聚焦)到非常小的面积上,焦点的直径甚至可以接近激光本身的波长,这是普通光源所不及的。因为从普通光源中发射出来的光束向各个方向传播,它们是互不平行的光,所以通过透镜只能看到某种尺寸的物相。另外,从普通光源中发射出来的光含有很多波长不等的光成份,当通过透镜时,由于不同波长光的折射率不同,所以不同波长光的焦点不在一个平面上。只有激光才能辐射出几乎是平行的光束,并且波长一致(单色性好),因此可以聚焦成为很小的光点。聚焦激光光束的能量密度可以达到很高的程度,这种特点是临床外科和细胞外科使用光刀的决定条件。

  (1)互为不平行的光束,不能集中到一点上
  (2)互为不同波长光束,不能集中到一点上
  (3)严格平行的等波长光束,能集中到一点上

  光点的直径是由透镜的焦距和光束的发散角所决定,如果我们知道焦距的发散角的数值,就可以用下列公式计算光点的直径大小。

 d=f.θ


  上式中,f为透镜的焦距(m),d为光点的直径(m),θ为光束的发射角(弧度)。例如,选择焦距为5cm的透镜,光束发散角为10-4弧度,求光点直径。

  根据上述公式从理论上推算:d=0.05×10-4=5μ

  实际,常常由于激光器的质量不好(单色性程度差),影响到光点的高度集中,达不到理论上的效果。

激光的高亮度性

  一般规律认为,光源在单位面积上向某一方向的单位立体角内发射的功率,就称为光源在该方向上的亮度。激光在亮度上的提高主要是靠光线在发射方向上的高度集中。激光的发射角极小(一般用毫弧度表示),它几乎是高度平等准直的光束,能实现定向集中发射。因此,激光有高亮度性。

  另外,激光的亮度也取决于它的相干性。相干性是一切波动现象的属性。光有波动性,因此也有相干性。

  一般光源发射出来的光是非相干光,它是波长不等、杂乱无序的混合光束。由于非相干光的波长、相位、振幅极不一致。因此它们的合成波也是一条杂乱无章、毫无规律的曲线,从中不易找出它的周期性来。普通光源如日光、灯光等所辐射的就是这非相干光线。

  发光系统中,处于激发状态的原子(或分子、离子)受相应的外界能量(例如入射光子)激励时,它就从高能级跃迁到低能级,同时释放出一个光子,这个被释放的光子和入射的光子是完全一样的。它们两者的波长、传播方向、振辐及相位都完全一样。这样的辐射波具有相干性,它们的谱线很窄。

  根据波的迭加原理,如果两列波同时作用于某一点上,则该点的振动等于每列波单独作用时所起的振动代数和。因此,相干光的合成波就是迭加效应的结果。合成波的相位、波长、传播方向皆不改变,只是振幅急剧地增加了。因此,通过迭加后的光色不变,只光的强度极大地增加了。激光所以有高亮度的特点也是由于相干光迭加效应的结果。激光的亮度可以比太阳表面亮高1010倍。

  一束激光经过聚焦后,由于其高亮度性的特点,能产生强烈的热效应,其焦点范围内的温度可达数千度或数万度,能熔化甚至于气化对激光有吸收能力的生物组织或非生物材料。如工业上精密器件的焊接、灯孔、切割医学上切割组织(光刀)、气化表浅肿瘤以及显微光谱分析等这些新技术都是利用激光的高亮度性所产生的高温效应。 

  (转自:激光科技科普网)

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