Question

激光产生原理及应用

Answer 1

物质是由粒子(分子，原子，离子）组成，粒子处于不断的运动状态之中，并处于不同的能级上。粒子从不稳定的高能级想低能级跃迁，向外发射出光子。
基态是粒子能量级最稳定的状态，粒子总是试图使自己的能量状态处于低能级上，被激发的高能级上的粒子，力图回到基态上去，与此同时释放出激发时所吸收的能量。从高能级回到低能级去的过程称为跃迁，跃迁时释放的能量即为辐射。
受激吸收：当处于低能级上的粒子吸收一定频率的外链光子能量时，粒子的能量增加，粒子从低能级跳跃到高能级，叫受激吸收。而外来光子能量被吸收后，光子能量减弱。粒子由低能量级向高能量级的迁移不是自发的，而是靠外来光子刺激或激发而进行的。激发的方法很多，主要是给基态低能量激级粒子施加一定能量，例如光照、电子碰撞、分解或化合以及加热等，基态粒子吸收能量后即被激发，如红宝石激光器用脉冲氙灯照射方法施加光能红宝石中铬离子从低能级的基态激发到高能级级激发态上；氦-氖激光器通过电子与氦原子碰撞，是氦原子获得能量通过获得能量的氦原子碰撞氖原子，获得能量的氖原子从基态激发到高能级上。化学激光则是用分解和化合的方法做为激光能源。由于原子内部结构不同，在相同条件下，原子从基态被激光发到各个高能级去的可能性是不同的。粒子能吸收外来光子，与两个能级的性质和趋近与粒子的光子数的多少有关，而与方向、相位等因素无关。
自发辐射：处于高能级的粒子很不稳定，不能长时间停留。如氢原子，粒子在高能级停留时间只有10-8s，高能级粒子自发跃迁至低能级上，同时以光子形式放出能量。
自发辐射过程不受外界因素影响，是原子内部运动规律导致的跃迁，完全自发进行。这样产生的光没有一定规律，相位和方向都不一致，不是单色光。日出生活中所看到的自然光、白炽灯、高压汞灯和一些充有气体的灯，它们发光都是自发辐射的过程，这些光是想各个方向传播的。这种以光的形式将能量辐射出来，并自发从高能级向低能级的跃迁就是自发辐射。这种通过自发辐射跃迁产生的光，是非相干光。在跃迁过程中也会有一些不产生光辐射的跃迁，其主要以热的运动形式释放能量，即无辐射跃迁，自发辐射的特点是每一个粒子的跃迁都是自发地、相互独立的进行，彼此无联系，产生的光子杂乱无章，无规律性。
受激辐射：特点是本身不是自发跃迁，而是受外来光子的刺激所产生，因而粒子释放出的光子和原来光子的频率、方向、相位及偏振等完全一样，无法区分出哪一个是原来的光子，哪一个是受激后产生的光子。受激辐射中由于光辐射的能量与光子数成正比例，因而在受辐射以后，光辐射能量增大了一倍。以波动观点看，设外来光子为一种波，受激辐射产生的光子为另一种波，由于两个波的相位、振动方向、传播的方向及频率一致，两个波合在一起能量就增大一倍，即通过受激辐射光波被放大。外来光子量越多，受激发的粒子数越多，产生的光子越多，能量就越高。
由上可知，受激辐射与受激吸收同时存在于光辐射与粒子体系上，是在同一整体中相互对立的两个方面，它们发生的可能性是等同的，这两个方面即受激辐射月吸收哪一个站主导地位，取决于粒子在两个能级上的分布。激光器发出的激光就是受激辐射而实现的，激发态粒子数越多，越容易实现受激辐射。