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激光产生原理

一、激光产生原理

要学习激光原理我们需要先了解以下这些概念

1能级

物质是由原子组成，而原子又是由原子核及电子构成。电子围绕着原子核运动。而电子在原

子中的能量不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的“能

级”，不同的能级对应于不同的电子能量，离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道

可最多容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道（也是最近原子核的轨道）最多只可容纳2

个电子，较高的轨道上则可容纳8个电子等等。

2、跃迁

电子可以通过吸收或释放能量从一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子

时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也

会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总是

与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定

的颜色。

3、自发辐射

指高能级的电子在没有外界作用下自发地迁移至低能级，并在跃迁时产生光（电磁波）辐射，

辐射光子能量为hv=E2-E1，即两个能级之间的能量差。这种辐射的特点是每一个电子的跃

迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的

光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差，方向散乱。

4、受激吸收

受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态。电子可通过吸收光子从低

能级跃迁到高能级。普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等的发光）都是由于物质在

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。

5、受激辐射

受激辐射是指处于高能级的电子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一

个和入射光子同样频率的光子。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐

射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出

两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强

了，或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。

光子射入物质诱发电子从高能级跃迁到低能级，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同

的波长和相位，此波长对应于两个能级的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最

后就变成两个相同的光子。

6、受激吸收和受激辐射之间的关系

那么到底原子吸收外来的光子后，是表现为受激吸收呢还是受激辐射呢？

在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可

以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因

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此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。

如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子

多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的原子

是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸

收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。

若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，我们就得到被高度放大的光。但是，在通

常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布规律。因此，位于高能级

的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的

体系中去寻找。

7、粒子数反转