[科普中國]-雷射化學(xué)

雷射化學(xué)，即激光化學(xué)（Laser Chemistry）是探討激光和化學(xué)有關(guān)的領(lǐng)域及理論。有些化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生激光（化學(xué)激光或準(zhǔn)分子激光），激光可以用在分析化學(xué)上，研究一些化學(xué)結(jié)構(gòu)或是化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的自由基，激光也可以啟動(dòng)一些化學(xué)反應(yīng)，或是改變一些化學(xué)反應(yīng)的特性。

簡介雷射化學(xué)，即激光化學(xué)（Laser Chemistry）是探討激光和化學(xué)有關(guān)的領(lǐng)域及理論。有些化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生激光（化學(xué)激光或準(zhǔn)分子激光），激光可以用在分析化學(xué)上，研究一些化學(xué)結(jié)構(gòu)或是化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的自由基，激光也可以啟動(dòng)一些化學(xué)反應(yīng)，或是改變一些化學(xué)反應(yīng)的特性。1

激光激光（英語：LASER），中國大陸譯成激光，在港澳臺(tái)又音譯為鐳射或雷射，是“通過受激輻射產(chǎn)生的光放大”（英語：LightAmplification byStimulatedEmission ofRadiation）的縮寫，指通過刺激原子導(dǎo)致電子躍遷釋放輻射能量而產(chǎn)生的具有同調(diào)性的增強(qiáng)光子束，其特點(diǎn)包括發(fā)散度極小，亮度（功率）可以達(dá)到很高等。產(chǎn)生激光需要“激發(fā)來源”，“增益介質(zhì)”，“共振結(jié)構(gòu)”這三個(gè)要素。1

激光原理輻射電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為不同的能級(jí)，電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)釋放出相應(yīng)能量的電磁波（所謂自發(fā)輻射）。一般的發(fā)光體中，這些電子釋放光子的動(dòng)作是隨機(jī)的，所釋放出的光子也沒有相同的特性，例如鎢絲燈發(fā)出的光。

當(dāng)外加能量以電場、光子、化學(xué)等方式注入到一個(gè)能級(jí)系統(tǒng)并為之吸收的話，會(huì)導(dǎo)致電子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，當(dāng)自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子碰到這些因外加能量而躍上高能級(jí)的電子時(shí)，這些高能級(jí)的電子會(huì)因受誘導(dǎo)而遷到低能級(jí)并釋放出光子（所謂受激輻射），受激輻射的所有光學(xué)特性跟原來的自發(fā)輻射包括：頻率、相位、前進(jìn)方向等會(huì)是一樣的，這些受激輻射的光子碰到其他因外加能量而躍上高能級(jí)的電子時(shí)，又會(huì)再產(chǎn)更多同樣的光子，最后光的強(qiáng)度越來越大（即光線能量被放大了），而與一般的光不同的是所有的光子都有相同的頻率、相位(同調(diào)性)、前進(jìn)方向。

要做到光放大，就要產(chǎn)生一個(gè)高能級(jí)電子比低能量級(jí)電子數(shù)目多的環(huán)境，即居量反轉(zhuǎn)，這樣才有機(jī)會(huì)讓高能級(jí)電子碰上光子來釋放新的光子，而不是隨機(jī)釋放。

一般激光產(chǎn)生器有三個(gè)基本要素：

“激發(fā)來源”（pumping source）：又稱“泵浦源”，把能量供給低能級(jí)的電子，激發(fā)使其成為高能級(jí)電子，能量供給的方式有電荷放電、光子、化學(xué)作用…。

“增益介質(zhì)”（gain medium）：被激發(fā)、釋放光子的電子所在的物質(zhì)，其物理特性會(huì)影響所產(chǎn)生激光的波長等特性。

“共振腔”（optical cavity/optical resonator）：是兩面互相平行的鏡子，一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來回反射，目的是使被激發(fā)的光多次經(jīng)過增益介質(zhì)以得到足夠的放大，當(dāng)放大到可以穿透半反射鏡時(shí)，激光便從半反射鏡發(fā)射出去。因此，此半反鏡也被稱為輸出耦合鏡（output coupler）。兩鏡面之間的距離也對(duì)輸出的激光波長有著選擇作用，只有在兩鏡間的距離能產(chǎn)生共振的波長才能產(chǎn)生激光。

居量反轉(zhuǎn)（population inversion）在一個(gè)二級(jí)系統(tǒng)中，一個(gè)電子自低能級(jí)向高能級(jí)躍遷和自高能級(jí)向低能級(jí)躍遷的概率是一樣的。為了達(dá)到光放大的作用，在高能級(jí)必須有更多的電子，使得受激輻射發(fā)生的概率更高。這個(gè)狀態(tài)稱為居量反轉(zhuǎn)。出于這個(gè)原因，所以以光子激發(fā)的二級(jí)系統(tǒng)是無法實(shí)現(xiàn)激光的，所以激光一般是以通過三級(jí)系統(tǒng)和四級(jí)系統(tǒng)得到實(shí)現(xiàn)。在三級(jí)系統(tǒng)中，電子受激躍遷到高能級(jí)后，便很快轉(zhuǎn)為亞穩(wěn)態(tài)。由此激光媒介被激發(fā)為高能態(tài)，居量反轉(zhuǎn)得到實(shí)現(xiàn)。1

分析化學(xué)分析化學(xué)是開發(fā)分析物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)的方法，使化學(xué)成分得以定性和定量，化學(xué)結(jié)構(gòu)得以確定。定性分析可以找到樣品中有何化學(xué)成分；定量分析可以確定這些成分的含量。在分析樣品時(shí)一般先要想法分離不同的成分。分析化學(xué)是化學(xué)家最基礎(chǔ)的訓(xùn)練之一，化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和基礎(chǔ)知識(shí)上的訓(xùn)練，皆得力于分析化學(xué)。

分析的方式大概可分為兩大類，經(jīng)典方法和儀器分析方法。儀器分析方法使用儀器去測量分析物的物理屬性，比如光吸收、熒光、電導(dǎo)等。儀器分析法常使用如電泳、色譜法、場流分級(jí)等方法來分離樣品。當(dāng)代分析化學(xué)著重儀器分析，常用的分析儀器有幾大類，包括原子與分子光譜儀，電化學(xué)分析儀器，核磁共振，X光，以及質(zhì)譜儀。儀器分析之外的分析化學(xué)方法，現(xiàn)在統(tǒng)稱為古典分析化學(xué)。古典方法（也常被稱為濕化學(xué)方法）常根據(jù)顏色，氣味，或熔點(diǎn)等來分離樣品（比如萃取、沉淀、蒸餾等方法）。這類方法常通過測量重量或體積來做定量分析。2

相關(guān)條目激光科學(xué)

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所