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激光产生基本原理
激光基本原理
一、激光产生原理
1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射
普通常见光源的发光(如电灯、火焰、太阳等地发光)是由
于物质在受到外来能量(如光能、电能、热能等)作用时,原子中的
电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级,即原子被激发。激
发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级(E2)的电子寿命很
短(一般为10-8~10-9秒),在没有外界作用下会自发地向低能级
(E1)跃迁,跃迁时将产生光(电磁波)辐射。辐射光子能量为
hυ=E2-E1
这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随
机过程,各发光原子的发光过程各自独立,互不关联,即所辐射的光
在发射方向上是无规则的射向四面八方,另外未位相、偏振状态也各
不相同。由于激发能级有一个宽度,所以发射光的频率也不是单一的,
而有一个范围。
在通常热平衡条件下,处于高能级E2上的原子数密度N2,
远比处于低能级的原子数密度低,这是因为处于能级E的原子数密度
N的大小时随能级E的增加而指数减小,即N∝exp(-E/kT),这是著
名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比
为
N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}
式中k为波耳兹曼常量,T为绝对温度。因为E2E1,所以
N2《N1。例如,已知氢原子基态能量为E1=-13.6eV,第一激发态
能量为E2=-3.4eV,在20℃时,kT≈0.025eV,则
N2/N1∝exp(-400)≈0
化学、热能等)转换而来。
二、激光器的结构
激光器一般包括三个部分。
1、激光工作介质
激光的产生必须选择合适的工作介质,可以是气体、液体、
固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转,以制造获得激光
的必要条件。显然亚稳态能级的存在,对实现粒子数反转世非常有利
的。现有工作介质近千种,可产生的激光波长包括从真空紫外道远红
外,非常广泛。
2、激励源
为了使工作介质中出现粒子数反转,必须用一定的方法去激
励原子体系,使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办
法来利用具有动能的电子去激发介质原子,称为电激励;也可用脉冲
光源来照射工作介质,称为光激励;还有热激励、化学激励等。各种
激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出,必须
不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
3、谐振腔
有了合适的工作物质和激励源后,可实现粒子数反转,但这
样产生的受激辐射强度很弱,无法实际应用。于是人们就想到了用光
学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔,实际是在激光器两端,面对面
装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射,一块光大部分反射、少
量透射出去,以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质
的光,继续诱发新的受激辐射,光被放大。因此,光在谐振腔中来回
振荡,造成连锁反应,雪崩似的获得放大,产生强烈的激光,从部分
反射镜子一端输出。
按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置,可将光
学谐振腔区分为:平行平面腔,平凹腔,对称凹面腔,凸面腔等。平
凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上,则称为半共焦腔;如果
凹面镜的球心落在平面镜上,便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反
射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点,便称为
对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心,称为共心腔。如果光
束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外,则称该腔为稳定腔,否则
称为不稳定腔。上述列举的谐振腔都属稳定腔。用两块凸面镜组成的
谐振腔为不稳定腔。平凹腔中如腔长太长,使凹球面的球心落在腔内,
则腔中除沿光轴的光线外,其它方向光束经多次反射后必然会逸出腔
外,故也为不稳定腔。对称凹面腔中,如腔长太长,使两球面球心分
别落在腔中心点靠近自身一侧,也是一种不稳定腔。谐振腔中包含了
能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后,许多原子将跃
迁到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态,放出光
子。其中,偏离轴向的光子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光
子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸出腔外。这些光子成
为引起受激发射的外界光场。促使已实现
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