激光器的工作原理

1、激光器的工作原理現(xiàn)代很多領(lǐng)域中都使用了激光器，激光器在很多設(shè)備中都發(fā)揮著核心作用。今天我們起學(xué)習(xí)一下激光器的工作原理。、光與物質(zhì)的三種相互作用根據(jù)量子力學(xué)，原子中的電子有固定軌道和能級(jí)，能級(jí)間的能量量子化。當(dāng)物質(zhì)受到光的輻照時(shí)，光與物質(zhì)(原子、分子、電子等)相互作用，存在三種光躍遷過(guò)程(threeoptical transition processes):受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。1、受激吸收 stimulated absorption受激吸收，一般稱為吸收，原子中的電子吸收外來(lái)光場(chǎng)中的光子，從低能級(jí)躍遷至 高能級(jí)，滿足hv=e2-e1,(受激)吸收使外來(lái)光子數(shù)減少。躍遷幾率(躍遷概率)為

2、b12u(v)n1 ，其中b12為愛(ài)因斯坦b系數(shù)，u(v)為光場(chǎng),n1為低能級(jí)上的粒子數(shù)?？梢?jiàn)受激吸收與光場(chǎng)和低能級(jí)的粒子數(shù)有關(guān)系。2、自發(fā)輻射 spontaneous emission自發(fā)輻射，激發(fā)態(tài)的粒子在初態(tài)處于高能級(jí)，處于不穩(wěn)定，向低能級(jí)躍遷，躍遷過(guò) 程中輻射出光子，光子頻率滿足hv=e2-e1。自發(fā)輻射的躍遷幾率(tran siti onprobalility)為a21 n2,其中a21為愛(ài)因斯坦a系數(shù)，n2為高能級(jí)上的粒子數(shù)?？梢?jiàn)自發(fā)輻射與高能級(jí)的粒子數(shù)有關(guān)系。a21的物理意義是指單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的粒子數(shù)密度，占e2能級(jí)總粒子數(shù)密度的百分比，即每一個(gè)處于e2能級(jí)的粒子在單位時(shí)

3、間內(nèi)發(fā)生的自發(fā)躍遷幾率。3、受激輻射 stimulated emission外來(lái)光子輻照至高能級(jí)的粒子，粒子結(jié)果產(chǎn)生向低能級(jí)躍遷，冋時(shí)輻射出一個(gè)光子，這個(gè)光子與外來(lái)的入射光子波長(zhǎng)頻率一致I,滿足hv-e2-e1。受激輻射的光子與外來(lái)光子的特性完全相同，即具有相同的頻率、偏振方向、傳播方向以及相同的相位。這樣，輸入一個(gè)光子，輸出變成了兩個(gè)狀態(tài)完全相同的光子，并且這兩個(gè)光子可再作用于其他粒子，繼續(xù)引起受激輻射， 從而獲得大量特征完全相同的光子。即實(shí)現(xiàn)了光放大作用。受激輻射躍遷幾率為 b21u(v)n2 , b21愛(ài)因斯坦b系數(shù)，受激輻射系數(shù)，u(v)為光場(chǎng), n2為高能級(jí)上粒子數(shù)?？梢?jiàn)，受激輻射與

4、光場(chǎng)和處于高能級(jí)的粒子數(shù)有關(guān)。4、受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別受激輻射光有完全相同的相位關(guān)系，為相干光(cohere nt)，例如激光。自發(fā)輻射光沒(méi)有固定的相位關(guān)系，為非相干(in cohere nt ),例如燈泡和蠟燭發(fā)光。二、激光器的原理激光，受激而發(fā)的光，英文為laser, 是 light amplification by stimulatedemission of radiati on的縮寫。從字面可以看出，激光的發(fā)光原理就是要使受激輻射占主導(dǎo)地位。使受激輻射占主導(dǎo)地位需要滿足兩個(gè)條件：一是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，二是要使增益大于損耗。1粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)我們知道，粒子在各能級(jí)上的分布服從玻爾茲曼分布

5、，室溫情況下，粒子都處于低能級(jí)上，高能級(jí)上沒(méi)有粒子。以溫度t=3000k的熱輻射光源，發(fā)射可見(jiàn)光500納米為例，n2/n1 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1說(shuō)明受激輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自發(fā)輻射強(qiáng)度，受激輻射是可以忽略不計(jì)的。受激 吸收（吸收光子）使得系統(tǒng)的光子數(shù)極大地減小。粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，就是使高能級(jí)e2的粒子數(shù)n2遠(yuǎn)大于低能級(jí)e1的粒子數(shù)n1。激光器采用激勵(lì)抽運(yùn)系統(tǒng)（多采用光學(xué)激勵(lì)或氣體放電激勵(lì)）實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。泵浦源提供能量，將低能級(jí)e1上的粒子抽運(yùn)輸送至高能級(jí)e3上（如果從e1抽運(yùn)至e2, e2粒子處于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，很快輻射躍遷至低能級(jí)e1,這樣抽運(yùn)和輻射很快平衡，實(shí)現(xiàn)不了 n2遠(yuǎn)大于n 1），高能粒子從e3躍遷

6、至e2，高能級(jí)間e3至e2的躍遷是無(wú)輻射躍遷， 即激發(fā)態(tài)粒子弛豫的過(guò)程。這樣，高能級(jí)上e2的粒子數(shù)就增多了， 從而實(shí)現(xiàn)高能級(jí)e2上的粒子數(shù)比低能級(jí)e1上的粒子數(shù)多，即實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，使光實(shí)現(xiàn)放大。2、增益大于損耗激光器都設(shè)計(jì)為長(zhǎng)條棒狀。激光器內(nèi)部有激光介質(zhì)1 （激活介質(zhì)或工作介質(zhì)），泵浦源2提供能量，光學(xué)諧振腔兩端為反射鏡，一個(gè)鏡子為反射率100%勺全反射鏡3,另一個(gè)鏡子反射率略小于100%為激光輸出反射鏡 4。光源發(fā)出光子，刺激高能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子，高能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子向低能級(jí)產(chǎn)生輻射躍遷， 發(fā)出相同的光束，所以一個(gè)光子變成了2個(gè)光子，繼續(xù)向前傳播，2變4,進(jìn)而4變8,實(shí)現(xiàn)自發(fā)輻射的雪崩式放大。

7、激光器中的光學(xué)諧振腔，將初次的出射光經(jīng)激光輸出鏡再反射回去，又進(jìn)行一次放大，完成一次正反饋。正反饋過(guò)程在來(lái)回反射過(guò)程中，初始很小的光，就會(huì)被放大到一個(gè)很高級(jí)別的光（指光子數(shù)從1被放大到很大很大），使得這個(gè)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的體系里面的能量全部向這個(gè)方向集 中，最后在輸出反射鏡這個(gè)地方，總有一點(diǎn)分量溢出耦合出來(lái)，即輸出激光。在這個(gè)放大過(guò) 程中，在其他方向上同時(shí)也產(chǎn)生了少量損耗，但總體上，因諧振腔的放大作用，使增益大于損耗。3、光學(xué)諧振腔的附加作用，使激光頻率更加集中對(duì)于固定的共振系統(tǒng)，只能響應(yīng)一個(gè)頻率，或其諧波（像吉他兩點(diǎn)之間的弦，改變 兩點(diǎn)距離，發(fā)出不同頻率的聲音）。諧振腔中兩個(gè)鏡子是固定的結(jié)點(diǎn)，光就像弦。只有當(dāng)光的波長(zhǎng)是光程的半整數(shù)倍時(shí)，光來(lái)回的一個(gè)反射才是增強(qiáng)的，否則，會(huì)相干消掉。