激光產(chǎn)生的原理

激光這個(gè)名詞已經(jīng)為大家所熟悉，激光是怎么產(chǎn)生的？

激光產(chǎn)生的基本原理要從原子的結(jié)構(gòu)談起。直到二十世紀(jì)初，人們才在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上揭開(kāi)了原子結(jié)構(gòu)的奧秘。

一．激光產(chǎn)生的原理

原子結(jié)構(gòu)像是一個(gè)小小的太陽(yáng)系，中間是原子核，電子圍繞原子核不停地旋轉(zhuǎn)，同時(shí)原子核也不停地自轉(zhuǎn)。

原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電，中子不帶電，原子核整體所帶的正電荷數(shù)量和電子整體所帶的負(fù)電荷數(shù)量相等，所以一般原子對(duì)外呈中性。

就原子的質(zhì)量而言，原子核集中了原子的絕大部分質(zhì)量，全部電子所占的質(zhì)量很小。在原子結(jié)構(gòu)中，原子核只占有很小的空間，電子們繞著原子核旋轉(zhuǎn)，電子的活動(dòng)空間要大得多。

原子是有“內(nèi)能”的，它由2部分組成：其一是電子有繞行速度，具有一定的動(dòng)能；其二是帶負(fù)電荷的電子與帶正電荷的原子核之間有距離，存在著一定的位勢(shì)能。所有電子的動(dòng)能與位能之和就是整個(gè)原子的能量，稱(chēng)為原子的內(nèi)能。

全部電子繞著原子核轉(zhuǎn)動(dòng)；有時(shí)離原子核近些，這些電子的能量要小些；有時(shí)離原子核遠(yuǎn)些，這些電子的能量要大些；按照遠(yuǎn)近出現(xiàn)的概率，人們把電子層分為不同的「能階」；某個(gè)「能階」上，可能頻繁出現(xiàn)多個(gè)電子繞行，每個(gè)電子也沒(méi)有固定的軌道，但這些電子都具有同一個(gè)級(jí)別的能量；「能階」之間是相互隔離的，是按照能量級(jí)別去隔離的。「能階」的概念既把電子按照能量分了級(jí)別，也把電子的繞行空間分為多個(gè)層次。總之，一個(gè)原子可能有多個(gè)能階，不同的能階對(duì)應(yīng)于不同的能量；有的電子處于“低能級(jí)”上繞行，有的電子處于“高能級(jí)”上繞行。

現(xiàn)在，中學(xué)的物理書(shū)中都已經(jīng)明確地標(biāo)注出某些原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，各電子層分布電子的規(guī)律，也標(biāo)注出不同能級(jí)上的電子數(shù)目。

在一個(gè)原子體系中，電子基本上是分層運(yùn)動(dòng)的，有些原子處于高能級(jí)，有些處于低能級(jí)；因?yàn)樵�子總�?huì)受到外界環(huán)境（溫度、電、磁）的影響，高能級(jí)電子不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)躍遷到低能級(jí)，其效果可能被吸收，也可能產(chǎn)生特別的激勵(lì)作用而出現(xiàn)“自發(fā)輻射”。因此在原子體系中，高能級(jí)電子躍遷到低能級(jí)時(shí)會(huì)有“自發(fā)輻射”和“受激輻射”這2種表現(xiàn)。

自發(fā)輻射，高能態(tài)的電子不穩(wěn)定，受到外界環(huán)境（溫度、電、磁）的影響，自發(fā)地遷移至低能態(tài)，多余的能量用光子形式輻射出來(lái)。這種輻射的特點(diǎn)是每一個(gè)電子的躍遷是獨(dú)立進(jìn)行的，有隨機(jī)性，不同電子自發(fā)輻射的光子狀態(tài)是不相同的，自發(fā)輻射光是“不相干”的狀態(tài)，方向散亂。但是，自發(fā)輻射帶有原子自身的特性，不同原子的自發(fā)輻射的光譜是不同的。說(shuō)到這里，讓人想起物理學(xué)中的一個(gè)基本知識(shí)，“任何物體都具有熱輻射能力，物體具有不斷吸收、發(fā)射電磁波的本領(lǐng)。熱輻射出去的電磁波是具有一定的譜分布的，這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)”。因此，熱輻射存在的原因就是原子的自發(fā)輻射。

受激輻射，高能級(jí)的電子在“適合條件的光子”的“刺激”或者“感應(yīng)”下，躍遷到低能級(jí)，并輻射出一個(gè)和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點(diǎn)是，受激輻射產(chǎn)生的光子與產(chǎn)生受激輻射的入射光子具有完全相同的狀態(tài)，是“相干”的狀態(tài)，它們具有相同的頻率，相同的方向，完全無(wú)法區(qū)分出兩者的差異。這樣，通過(guò)一次受激輻射，一個(gè)光子變?yōu)閮蓚�(gè)相同的光子。這意味著光被加強(qiáng)了，或者說(shuō)光被“放大”了。

現(xiàn)在再來(lái)分析，為了獲取更多更頻繁的受激輻射，需要什么的條件呢？

在通常情況下，高能級(jí)的電子數(shù)目總是比低能級(jí)的電子數(shù)目少，如果想原子產(chǎn)生受激輻射就希望增加高能級(jí)的電子數(shù)目，于是就需要“泵浦源”，其目的就是激勵(lì)更多的低能級(jí)的電子向高能級(jí)躍遷，這樣高能級(jí)的電子數(shù)目就會(huì)多于低能級(jí)上的電子數(shù)，就會(huì)出現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，多的高能級(jí)的電子只能停留極短的時(shí)間就會(huì)躍遷到低能級(jí)，這樣，受激輻射的可能性就會(huì)增大。

當(dāng)然，“泵浦源”是針對(duì)不同原子而設(shè)定的，它要讓電子“共振”起來(lái)，讓更多的低能級(jí)的電子向高能級(jí)躍遷。

讀者基本可以明白，什么是激光？激光是怎么產(chǎn)生的？激光是在特定的“泵浦源”的作用下，物體的原子被“激發(fā)”出來(lái)的“光輻射”，這就是激光。

激光產(chǎn)生的條件

受激輻射光放大

受激輻射過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)相同狀態(tài)(頻率、相位、振動(dòng)方向及傳播方向均相同)的光子數(shù)目的幾何級(jí)數(shù)遞增，引起光放大。一個(gè)外來(lái)光子引發(fā)大量發(fā)光粒子產(chǎn)生受激輻射，并產(chǎn)生大量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的光子，這種現(xiàn)象稱(chēng)為受激輻射光放大。

但是，光與原子體系相互作用時(shí)，總同時(shí)存在自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收三種過(guò)程。光是否放大要看哪種躍遷過(guò)程占優(yōu)勢(shì)。為了獲得激光，要使得受激輻射占優(yōu)勢(shì)，也就是要解決兩個(gè)基本矛盾：受激輻射和受激吸收的矛盾，受激輻射和自發(fā)輻射的矛盾。

激活粒子的能級(jí)系統(tǒng)

形成穩(wěn)定的激光，必須有能夠形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的發(fā)光粒子，稱(chēng)之為激活粒子，它可以是分子、原子或離子；這些激活粒子有些可以獨(dú)立存在，有些則必須依附于某些材料中，為激活粒子提供寄存場(chǎng)所的材料，叫做基質(zhì)。基質(zhì)與激活粒子統(tǒng)稱(chēng)為激光工作物質(zhì)。

并非各種物質(zhì)都能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)中，也并非是在該物質(zhì)的任意兩個(gè)能級(jí)間都能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如果泵浦的粒子在激發(fā)態(tài)壽命很短，不能夠在一定時(shí)間大量聚集，也是不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。因此我們需要工作物質(zhì)存在亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，即有合適的能級(jí)系統(tǒng)。

能級(jí)系統(tǒng)首先必須要有激光上能級(jí)和激光下能級(jí)；除此之外，往往還需要有一些與產(chǎn)生激光有關(guān)的其他能級(jí)。通常的激光工作物質(zhì)都是由包含有亞穩(wěn)態(tài)的三能級(jí)結(jié)構(gòu)或四能級(jí)結(jié)構(gòu)的原子體系組成。

二．激光的特殊性質(zhì)

激光有很多特殊的性質(zhì)，人們正是利用這些特性，造就了激光在很多方面的具有特殊價(jià)值的應(yīng)用。

1.定向發(fā)光

普通光源是向四面八方發(fā)光。要讓普通光朝著一個(gè)方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車(chē)的車(chē)前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡的。

激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個(gè)方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0。001弧度，接近平行。1962年，人類(lèi)第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬(wàn)公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個(gè)月球。

2.亮度極高

在激光發(fā)明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽(yáng)的亮度不相上下，而紅寶石激光器的激光亮度，能超過(guò)氙燈的幾百億倍。

激光的亮度極高，傳播極遠(yuǎn)，能夠照亮遠(yuǎn)距離的物體。
紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上能產(chǎn)生0。02單位的照度，顏色鮮紅，光斑明顯可見(jiàn)。若用功率最強(qiáng)的探照燈照射月球，產(chǎn)生的照度只有約一萬(wàn)億分之一單位的照度，人眼根本無(wú)法察覺(jué)。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。

大量光子集中在一個(gè)極小的空間范圍內(nèi)射出，激光的能量密度自然會(huì)高。

3.顏色極純

光的顏色由光的波長(zhǎng)（或頻率）決定。一定的波長(zhǎng)的光對(duì)應(yīng)著一定的顏色。太陽(yáng)光的波長(zhǎng)約在0。76微米至0。4微米之間，對(duì)應(yīng)的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽(yáng)光談不上單色性。

日常所見(jiàn)的氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發(fā)射某一種顏色的光。單色光源的顏色雖然單一，但仍有一定的分布范圍。如氪燈雖然只發(fā)射紅光，若仔細(xì)辨認(rèn)，它包含有幾十種紅色的光。

物理基本知識(shí)告訴我們，光的波長(zhǎng)分布區(qū)間越窄，單色性越好。

激光器輸出的光，波長(zhǎng)分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長(zhǎng)分布范圍可以窄到納米，是氪燈發(fā)射的紅光波長(zhǎng)分布范圍的萬(wàn)分之二。由此可見(jiàn)，激光器的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何一種單色光源。

相干性好

物理學(xué)告訴我們，兩束光相遇會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的條件是：頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定。

激光器發(fā)出的光，其頻率、振動(dòng)方向、相位高度一致；兩種激光在空間重疊時(shí)，重疊區(qū)的光強(qiáng)分布會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的強(qiáng)弱相間干涉現(xiàn)象。所以激光是相干光。而普通光源發(fā)出的光，其頻率、振動(dòng)方向、相位不一致，是非相干光。

5.閃光時(shí)間可以極短

普通光源的閃光時(shí)間不可能很短，照相用的閃光燈，閃光時(shí)間是千分之一秒左右。脈沖激光的閃光時(shí)間很短，可達(dá)到6飛秒（1飛秒=秒）。

6.激光頻率

不同激光器發(fā)射的激光，其功率有大小之別，其頻率都介于紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)之間。

三、激光器

一個(gè)激光器最基本的組成是泵浦源、諧振腔和激光工作介質(zhì)。這里先簡(jiǎn)單介紹，各個(gè)部件的詳細(xì)介紹將放在后面的章節(jié)中。

泵浦源：對(duì)激光工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，將激活粒子從基態(tài)抽運(yùn)到高能級(jí)，以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。可以是光激勵(lì)、氣體放電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核能激勵(lì)等。激勵(lì)源的選擇取決于工作物質(zhì)的特點(diǎn)。因而不同工作物質(zhì)往往需要不同的泵浦源。如對(duì)固體激光器一般采用脈沖氙燈、碘鎢燈等光激勵(lì)的辦法，對(duì)氣體激光器則用電激勵(lì)方法，通過(guò)放電直接激勵(lì)工作物質(zhì)。此外激勵(lì)源的選擇也應(yīng)考慮到激勵(lì)效率等問(wèn)題。

諧振腔：增加工作介質(zhì)的有效長(zhǎng)度，對(duì)光束方向性加以選擇，選擇激光頻率等。光學(xué)諧振腔是決定激光器單色性、方向性、相干性等輸出特性的最關(guān)鍵因素。更加具體的內(nèi)容將在后面討論。

工作介質(zhì)：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系。激光介質(zhì)可以是氣體、液體、固體和半導(dǎo)體，要求存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。為了選擇激光工作物質(zhì)，必須對(duì)物質(zhì)作能譜分析。在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同的需要進(jìn)行選擇。這是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要考慮的問(wèn)題很多，最重要的問(wèn)題是一種物質(zhì)是否有合適的躍遷能級(jí)，即在某兩能級(jí)之間可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

下面簡(jiǎn)單介紹幾種激光器。

紅寶石激光器：紅寶石激光器是最先實(shí)現(xiàn)激光作用的激光器，它發(fā)出694.3nm的紅色激光。其工作介質(zhì)是紅寶石棒，由摻鉻的三氧化二鋁磨制成，通過(guò)三價(jià)Cr受激輻射實(shí)現(xiàn)； 

釔鋁石榴石激光器：釔鋁石榴石激光器是目前中小功率固體激光器中性能最好的一種激光器，能夠發(fā)出幾種波長(zhǎng)的光。其工作物質(zhì)是摻釹的石榴石棒，是四能級(jí)系統(tǒng)，通過(guò)三價(jià)Nd受激輻射實(shí)現(xiàn)。 

氦氖激光器：氦氖激光器是最早制成的一種氣體激光器，可以發(fā)出632.8nm、1150nm和3390nm波長(zhǎng)的激光。它單色性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出功率穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用。激光譜線(xiàn)都是發(fā)生于氖原子的不同激發(fā)態(tài)之間，而氦原子只是起輔助作用。氖的能級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是也可以把它看作是四能級(jí)系統(tǒng)。