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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