Question

激光是怎么形成的 激光的基本原理

Answer 1

　　1、自发辐射与受激辐射

　　自发辐射是在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。hn=E2-E1。

　　设发光物质单位体积中处于能级E1，E2的原子数分别为N1，N2，则单位时间内从E2向E1自发辐射的原子数为

　　A21为自发辐射概率(自发跃迁率)：表示一个原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率。

　　处于高能级E2上的原子，受到能量为hn= E2- E1的外来光子的激励，由高能级E2受迫跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同的光子。称为受激辐射。

　　W21为表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射跃迁到E1的概率。

　　2、粒子数反转

　　受激吸收与E1的原子数N1成正比，受激辐射与E2的原子数N2成正比。当N2《N1时发生受激辐射远少于发生受激吸收，是不可能实现光放大的.要实现光放大，必须采取特殊措施，打破原子数在热平衡下的玻耳兹曼分布，使N2>N1。我们称体系的这种状态为粒子数反转 (或“负温度”体系)。所以，产生激光的首要条件是实现粒子数反转。

　　能够实现粒子数反转的介质称为激活介质。要造成粒子数反转分布，首先要求介质有适当的能级结构，其次还要有必要的能量输入系统。供给低能态的原子以能量，促使它们跃迁到高能态去的过程称为抽运过程。

　　3、光学谐振腔

　　在激光器中利用光学谐振腔来形成所要求的强辐射场，使辐射场能量密度远远大于热平衡时的数值，从而使受激辐射概率远远大于自发辐射概率。

　　光学谐振腔的主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的反射镜，有一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方式的激励下，谐振腔内的激活介质将会在两个能级之间实现粒子数反转。这时产生受激辐射，在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，这个过程称为光振荡。这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增强，所以辐射场能量密度大大增强，受激辐射远远超过自发辐射.这种受激的辐射光从部分反射镜输出，它就是激光。沿其他方向传播的光很快从侧面逸出谐振腔，不能被继续放大。而自发辐射产生的频率也得不到放大。因此，从谐振腔输出的激光具有很好的方向性和单色性。

　　结论

　　理论上讲，只要工作物质足够长，则不管初始自发辐射有多弱，最终总可以被放大到一定强度。但在实际激光器中，一般来说，工作物质既没有必要，也没有可能特别长(最近发展起来的以光纤为工作物质的激光器是一个例外)，通常的做法是在其两端各放一块反射镜，使光得以来回反射多次通过工作物质并被不断放大，为充分利用光能，介质往往被置于一聚光腔体中，后者与端面反射镜共同构成激光谐振腔。

　　由以上的讨论可以看出，激光作为一种光，与自然界其他发光一样，是由原子(或分子、离子等)跃迁产生的，而且是由自发辐射引起的。不同的是，普通光源自始至终都是由自发辐射产生的，因而含有不同频率(或不同波长、不同颜色)的成分，并向各个方向传播。激光则仅在最初极短的时间内依赖于自发辐射，此后的过程完全由受激辐射决定。正是这一原因，使激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性，极高的发光强度。而正是这些神奇的特性，使激光在各个领域具有一系列令人难以置信而又不得不相信的应用。