激光基本原理及其生物医学应用

激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,LASER)是20世纪人类科技四大发明之一,指通过受激辐射光扩大,其产生光的物理机制即受激辐射。激光以其特殊的发光机理,具有传统光源所不具备的一些优异特性,如良好的方向性、单色性、相干性和高亮度等。因此,激光在现代科学技术的多个方面发挥了独特的作用,已经遍及工业、通信、医学、军事和科学研究等领域。从第一台激光器的诞生到其种类和应用领域的不断丰富已经历了五十余年,激光的兴起促进了其他科学技术与激光技术的融合,从而诞生出激光物理学、非线性光学、激光光谱学、激光医学、信息光电子技术等学科[1]。

“受激辐射”这一概念最早于1917年由爱因斯坦提出。在普朗克对于黑体辐射的量子化解释和波尔对原子中电子运动状态的量子化的假设基础上,爱因斯坦从“光量子”概念出发,提出了“自发辐射”和“受激辐射”的概念。如图1-1(a)所示,处于低能级E 1的电子在吸收能量为hν=E 2-E 1的光子后,将向高能级E 2跃迁,这一过程称为“受激吸收”。而当处于高能级E 2的电子释放能量、跃迁回未被占据的低能级E 1时,存在着两种可能的辐射过程,分别为自发辐射[图1-1(b)]和受激辐射[图1-1(c)]。

图1-1　吸收光子、自发辐射和受激辐射(www.xing528.com)

在自发辐射过程中,电子由E 2能级向E 1能级跃迁,激发出一个光子。激发光子向任意方向传播,相位无规则分布。而在受激辐射过程中,入射的一个能量为hν=E 2-E 1的光子诱导向下跃迁的电子发射光子。此时发射光子的能量、相位、传播方向、偏振与入射的光子完全一致[2]。从电磁波的角度,受激辐射场与入射辐射场属于同一模式。对于大量原子的受激辐射过程,其产生的辐射场也都与入射辐射场一致,因此实现了入射辐射场的放大,也就是受激辐射的光放大过程。受激辐射场与入射辐射场在各方面的一致性使其激光具有较好的方向性、单色性、相干性和较高的亮度。

为了获得人们感兴趣的波段的激光,需要特定能级间隔的物质,即特定的增益介质。为了实现较多上能级粒子向未被占据的下能级跃迁的过程,需要泵浦激励实现粒子数反转。布隆伯根提出利用光泵浦三能级原子系统实现粒子数反转分布的新构想。为了增加受激辐射的过程,需要谐振腔结构。1958年,汤斯和肖洛抛弃了一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔,提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔。这些要素也被称为激光器的三要素。有了这些基本的概念,激光真正从理论走向了实际。1960年,美国休斯公司的梅曼研制出世界第一台红宝石激光器,产生的激光如预期拥有完全不同于自发辐射光的性质,标志着激光技术的诞生。此后又陆续开发出不同增益介质、不同泵浦结构、不同腔型结构的激光器。同时对于激光技术也进行了大量的研究,包括激光的调制与偏转、激光放大、脉冲压缩、模式选择、激光稳频、激光的传输、非线性光学技术等。激光技术日趋成熟,应用领域越来越广泛。