激光產生的原理

激光這個名詞已經為大家所熟悉，激光是怎么產生的？

激光產生的基本原理要從原子的結構談起。直到二十世紀初，人們才在實驗的基礎上揭開了原子結構的奧秘。

一．激光產生的原理

原子結構像是一個小小的太陽系，中間是原子核，電子圍繞原子核不停地旋轉，同時原子核也不停地自轉。

原子核由質子和中子組成，質子帶正電，中子不帶電，原子核整體所帶的正電荷數量和電子整體所帶的負電荷數量相等，所以一般原子對外呈中性。

就原子的質量而言，原子核集中了原子的絕大部分質量，全部電子所占的質量很小。在原子結構中，原子核只占有很小的空間，電子們繞著原子核旋轉，電子的活動空間要大得多。

原子是有“內能”的，它由2部分組成：其一是電子有繞行速度，具有一定的動能；其二是帶負電荷的電子與帶正電荷的原子核之間有距離，存在著一定的位勢能。所有電子的動能與位能之和就是整個原子的能量，稱為原子的內能。

全部電子繞著原子核轉動；有時離原子核近些，這些電子的能量要小些；有時離原子核遠些，這些電子的能量要大些；按照遠近出現的概率，人們把電子層分為不同的「能階」；某個「能階」上，可能頻繁出現多個電子繞行，每個電子也沒有固定的軌道，但這些電子都具有同一個級別的能量；「能階」之間是相互隔離的，是按照能量級別去隔離的。「能階」的概念既把電子按照能量分了級別，也把電子的繞行空間分為多個層次。總之，一個原子可能有多個能階，不同的能階對應于不同的能量；有的電子處于“低能級”上繞行，有的電子處于“高能級”上繞行。

現在，中學的物理書中都已經明確地標注出某些原子的結構特點，各電子層分布電子的規律，也標注出不同能級上的電子數目。

在一個原子體系中，電子基本上是分層運動的，有些原子處于高能級，有些處于低能級；因為原子總會受到外界環境（溫度、電、磁）的影響，高能級電子不穩定，會自發躍遷到低能級，其效果可能被吸收，也可能產生特別的激勵作用而出現“自發輻射”。因此在原子體系中，高能級電子躍遷到低能級時會有“自發輻射”和“受激輻射”這2種表現。

自發輻射，高能態的電子不穩定，受到外界環境（溫度、電、磁）的影響，自發地遷移至低能態，多余的能量用光子形式輻射出來。這種輻射的特點是每一個電子的躍遷是獨立進行的，有隨機性，不同電子自發輻射的光子狀態是不相同的，自發輻射光是“不相干”的狀態，方向散亂。但是，自發輻射帶有原子自身的特性，不同原子的自發輻射的光譜是不同的。說到這里，讓人想起物理學中的一個基本知識，“任何物體都具有熱輻射能力，物體具有不斷吸收、發射電磁波的本領。熱輻射出去的電磁波是具有一定的譜分布的，這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關”。因此，熱輻射存在的原因就是原子的自發輻射。

受激輻射，高能級的電子在“適合條件的光子”的“刺激”或者“感應”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點是，受激輻射產生的光子與產生受激輻射的入射光子具有完全相同的狀態，是“相干”的狀態，它們具有相同的頻率，相同的方向，完全無法區分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個光子變為兩個相同的光子。這意味著光被加強了，或者說光被“放大”了。

現在再來分析，為了獲取更多更頻繁的受激輻射，需要什么的條件呢？

在通常情況下，高能級的電子數目總是比低能級的電子數目少，如果想原子產生受激輻射就希望增加高能級的電子數目，于是就需要“泵浦源”，其目的就是激勵更多的低能級的電子向高能級躍遷，這樣高能級的電子數目就會多于低能級上的電子數，就會出現“粒子數反轉”，多的高能級的電子只能停留極短的時間就會躍遷到低能級，這樣，受激輻射的可能性就會增大。

當然，“泵浦源”是針對不同原子而設定的，它要讓電子“共振”起來，讓更多的低能級的電子向高能級躍遷。

讀者基本可以明白，什么是激光？激光是怎么產生的？激光是在特定的“泵浦源”的作用下，物體的原子被“激發”出來的“光輻射”，這就是激光。

激光產生的條件

受激輻射光放大

受激輻射過程能夠實現相同狀態(頻率、相位、振動方向及傳播方向均相同)的光子數目的幾何級數遞增，引起光放大。一個外來光子引發大量發光粒子產生受激輻射，并產生大量運動狀態完全相同的光子，這種現象稱為受激輻射光放大。

但是，光與原子體系相互作用時，總同時存在自發輻射、受激輻射和受激吸收三種過程。光是否放大要看哪種躍遷過程占優勢。為了獲得激光，要使得受激輻射占優勢，也就是要解決兩個基本矛盾：受激輻射和受激吸收的矛盾，受激輻射和自發輻射的矛盾。

激活粒子的能級系統

形成穩定的激光，必須有能夠形成粒子數反轉的發光粒子，稱之為激活粒子，它可以是分子、原子或離子；這些激活粒子有些可以獨立存在，有些則必須依附于某些材料中，為激活粒子提供寄存場所的材料，叫做基質。基質與激活粒子統稱為激光工作物質。

并非各種物質都能實現粒子數反轉，在能實現粒子數反轉的物質中，也并非是在該物質的任意兩個能級間都能實現粒子數反轉。如果泵浦的粒子在激發態壽命很短，不能夠在一定時間大量聚集，也是不能實現粒子數反轉的。因此我們需要工作物質存在亞穩態結構，即有合適的能級系統。

能級系統首先必須要有激光上能級和激光下能級；除此之外，往往還需要有一些與產生激光有關的其他能級。通常的激光工作物質都是由包含有亞穩態的三能級結構或四能級結構的原子體系組成。

二．激光的特殊性質

激光有很多特殊的性質，人們正是利用這些特性，造就了激光在很多方面的具有特殊價值的應用。

1.定向發光

普通光源是向四面八方發光。要讓普通光朝著一個方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡的。

激光器發射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發散度極小，大約只有0。001弧度，接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個月球。

2.亮度極高

在激光發明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石激光器的激光亮度，能超過氙燈的幾百億倍。

激光的亮度極高，傳播極遠，能夠照亮遠距離的物體。
紅寶石激光器發射的光束在月球上能產生0。02單位的照度，顏色鮮紅，光斑明顯可見。若用功率最強的探照燈照射月球，產生的照度只有約一萬億分之一單位的照度，人眼根本無法察覺。激光亮度極高的主要原因是定向發光。

大量光子集中在一個極小的空間范圍內射出，激光的能量密度自然會高。

3.顏色極純

光的顏色由光的波長（或頻率）決定。一定的波長的光對應著一定的顏色。太陽光的波長約在0。76微米至0。4微米之間，對應的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽光談不上單色性。

日常所見的氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發射某一種顏色的光。單色光源的顏色雖然單一，但仍有一定的分布范圍。如氪燈雖然只發射紅光，若仔細辨認，它包含有幾十種紅色的光。

物理基本知識告訴我們，光的波長分布區間越窄，單色性越好。

激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布范圍可以窄到納米，是氪燈發射的紅光波長分布范圍的萬分之二。由此可見，激光器的單色性遠遠超過任何一種單色光源。

相干性好

物理學告訴我們，兩束光相遇會產生干涉現象的條件是：頻率相同、振動方向相同、相位差恒定。

激光器發出的光，其頻率、振動方向、相位高度一致；兩種激光在空間重疊時，重疊區的光強分布會出現穩定的強弱相間干涉現象。所以激光是相干光。而普通光源發出的光，其頻率、振動方向、相位不一致，是非相干光。

5.閃光時間可以極短

普通光源的閃光時間不可能很短，照相用的閃光燈，閃光時間是千分之一秒左右。脈沖激光的閃光時間很短，可達到6飛秒（1飛秒=秒）。

6.激光頻率

不同激光器發射的激光，其功率有大小之別，其頻率都介于紅外線和紫外線之間。

三、激光器

一個激光器最基本的組成是泵浦源、諧振腔和激光工作介質。這里先簡單介紹，各個部件的詳細介紹將放在后面的章節中。

泵浦源：對激光工作物質進行激勵，將激活粒子從基態抽運到高能級，以實現粒子數反轉。可以是光激勵、氣體放電激勵、化學激勵、核能激勵等。激勵源的選擇取決于工作物質的特點。因而不同工作物質往往需要不同的泵浦源。如對固體激光器一般采用脈沖氙燈、碘鎢燈等光激勵的辦法，對氣體激光器則用電激勵方法，通過放電直接激勵工作物質。此外激勵源的選擇也應考慮到激勵效率等問題。

諧振腔：增加工作介質的有效長度，對光束方向性加以選擇，選擇激光頻率等。光學諧振腔是決定激光器單色性、方向性、相干性等輸出特性的最關鍵因素。更加具體的內容將在后面討論。

工作介質：實現粒子數反轉并產生光的受激輻射放大作用的物質體系。激光介質可以是氣體、液體、固體和半導體，要求存在亞穩態能級。為了選擇激光工作物質，必須對物質作能譜分析。在此基礎上根據不同的需要進行選擇。這是一個比較復雜的問題，需要考慮的問題很多，最重要的問題是一種物質是否有合適的躍遷能級，即在某兩能級之間可以實現粒子數反轉分布。

下面簡單介紹幾種激光器。

紅寶石激光器：紅寶石激光器是最先實現激光作用的激光器，它發出694.3nm的紅色激光。其工作介質是紅寶石棒，由摻鉻的三氧化二鋁磨制成，通過三價Cr受激輻射實現； 

釔鋁石榴石激光器：釔鋁石榴石激光器是目前中小功率固體激光器中性能最好的一種激光器，能夠發出幾種波長的光。其工作物質是摻釹的石榴石棒，是四能級系統，通過三價Nd受激輻射實現。 

氦氖激光器：氦氖激光器是最早制成的一種氣體激光器，可以發出632.8nm、1150nm和3390nm波長的激光。它單色性好，結構簡單，輸出功率穩定，被廣泛應用。激光譜線都是發生于氖原子的不同激發態之間，而氦原子只是起輔助作用。氖的能級結構復雜，但是也可以把它看作是四能級系統。