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鐳射:
鐳射原理:
受激輻射
原子的運動狀態可以分為不同的能級,當原子從高能級向低能級躍遷時,會釋放出相應能量的光子(所謂自發輻射)。同樣的,當一個光子入射到一個能級系統併為之吸收的話,會導致原子從低能級向高能級躍遷(所謂受激吸收);然後,部分躍遷到高能級的原子受誘導又會躍遷到低能級並釋放出光子(所謂受激輻射)。這些運動不是孤立的,而往往是同時進行的。當我們創造一種條件,譬如採用適當的媒質、共振腔、足夠的外部電場,受激輻射得到放大從而比受激吸收要多,那麼總體而言,就會有光子射出,從而產生鐳射。
粒子數反轉
在一個二級系統中,一個電子自低能級向高能級躍遷和自高能級向低能級躍遷的概率是一樣的。為了達到光的加強,在高能級必須有更多的電子,使得受激輻射發生的概率更高。這個狀態稱為佔據逆轉。出於這個原因二級系統是無法實現鐳射的。鐳射更多是通過三級系統和四級系統得到實現。在三級系統中,電子受激躍遷到高能級後,便很快轉為亞穩態。由此鐳射媒介被激發為高能態,佔據逆轉得到實現。
鐳射分類
根據產生鐳射的媒質,可以把鐳射器分為液體鐳射器、氣體鐳射器和固體鐳射器等。而現在最常見的半導體鐳射器算是固體鐳射器的一種。
氣體鐳射器:
介質是氣體的鐳射器,此種鐳射器通過放電得到激發。
氦氖鐳射器:最重要的紅光放射源(632,8 nm )。
二氧化碳鐳射器:波長約10,6 μm (紅外線),重要的工業鐳射。
一氧化碳鐳射器:波長約 6-8 μm (紅外線),只在冷卻的條件下工作。
氮氣鐳射器:337,1 nm (紫外線)。
氬離子鐳射器:具有多個波長,457,9 nm (8%), 476,5 nm (12%), 488,0 nm (20%), 496,5 nm (12%), 501,7 nm (5%), 514,5 nm (43%) (由藍光到綠光)。
氦鎘鐳射器:最重要的藍光(442nm) 和近紫外鐳射源(325nm)。
氪離子鐳射器 :具有多個波長,350,7nm; 356,4nm; 476,2nm; 482,5nm; 520,6nm; 530,9nm; 586,2nm; 647,1nm (最強); 676,4nm; 752,5nm; 799,3nm (從藍光到深紅光)。
氧離子鐳射器
氙離子鐳射器
混合氣體鐳射器:不含純氣體,而是幾種氣體的混合物(一般為氬,氪等)。
準分子鐳射器:比如,KrF (248 nm), XeF (351-353 nm), ArF (193 nm), XeCl (308 nm), F2 (157 nm) (均為紫外線)。
金屬蒸汽鐳射器:比如銅蒸汽鐳射器,波長介於510,6 和 578,2 nm之間。由於很好的加強性,可以不用諧振鏡。
金屬鹵化物鐳射器:比如溴化銅鐳射器,波長介於510,6 和 578,2 nm之間。由於很好的加強性,可以不用諧振鏡。
化學激發鐳射器是一種特殊的形式。激發通過媒介中的化學反應來進行。媒介是一次性的,使用後就被消耗掉了。對於高功率的條件及軍事領域是非常理想的。
鹽酸鐳射器
碘鐳射器
等離子:
等離子的原理:
等離子通常被視為物質除固態、液態、氣態之外存在的第四種形態。如果對氣體持續加熱,使分子分解為原子併發生電離,就形成了由離子、電子和中性粒子組成的氣體,這種狀態稱為等離子。等離子與氣體的性質差異很大,等離子中起主導作用的是長程的庫侖力,而且電子的質量很小,可以自由運動,因此等離子中存在顯著的集體過程,如振蕩與波動行為。等離子中存在與電磁輻射無關的聲波,稱為阿爾文波。
等離子是存在最廣泛的一種物態,目前觀測到的宇宙物質中,99%都是等離子,雖然分佈的範圍很稀薄。
常見等離子形態:
常見等離子包括
人造等離子:
熒光燈,霓虹燈燈管中的電離氣體
核聚變實驗中的高溫電離氣體
電焊時產生的高溫電弧,電弧燈中的電弧
火箭噴出的氣體
等離子顯示器和電視
太空飛船 重返地球時在飛船的熱屏蔽層 前端產生的等離子
在生產集成電路用來蝕刻電介質層的等離子
等離子球
地球上的 等離子:
St. Elmo's fire
Sprites, elves, jets
火焰(上部的高溫部分)
閃電
低溫等離子NTP
球狀閃電
大氣層中的電離層
極光
太空 和 天體物理中的等離子:
太陽 和其他 恆星
(其中等離子由於熱核聚變供給能量產生)
太陽風
行星際介質
(存在與行星之間)
星際介質
(存在於恆星之間)
星系間介質
(存在於星系之間)
Io-木星 的通量管
吸積盤
星雲
等離子的性質:
等離子態常被稱為「超氣態」,它和氣體有很多相似之處,比如:沒有確定形狀和體積,具有流動性,但等離子也有很多獨特的性質。
電離:
等離子和普通氣體的最大區別是它是一種電離氣體。由於存在帶負電的自由電子和帶正電的離子,有很高的電導率,和電磁場的耦合作用也極強:帶電粒子可以同電場耦合,帶電粒子流可以和磁場耦合。描述等離子要用到電動力學,並因此發展起來一門叫做磁流體動力學的理論。
組成粒子:
和一般氣體不同的是,等離子包含兩到三種不同組成粒子:自由電子,帶正電的離子和未電離的原子。這使得我們針對不同的組分定義不同的溫度:電子溫度和離子溫度。輕度電離的等離子,離子溫度一般遠低於電子溫度,稱之為「低溫等離子」。高度電離的等離子,離子溫度和電子溫度都很高,稱為「高溫等離子」。相比於一般氣體,等離子組成粒子間的交互作用也大很多。
速率分佈:
一般氣體的速率分佈滿足馬克士威爾分佈,但等離子由於與電場的耦合,可能偏離馬克士威爾分佈。