激光產(chǎn)生基本原理

1、激光基本原理一、激光產(chǎn)生原理1、普通光源的發(fā)光受激吸收和自發(fā)輻射普通常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽等地發(fā)光）是由于 物質(zhì)在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電 子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發(fā)。激發(fā) 的過程是一個“受激吸收”過程。處在高能級（E2）的電子壽命很短 （一般為10-810-9秒），在沒有外界作用下會自發(fā)地向低能級 （E1）躍遷，躍遷時將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為h u =E2-E1這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機(jī) 過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在 發(fā)射方向上是無規(guī)則的射向四面八方

2、，另外未位相、偏振狀態(tài)也各不 相同。由于激發(fā)能級有一個寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的， 而有一個范圍。在通常熱平衡條件下，處于高能級 E2上的原子數(shù)密度N2,遠(yuǎn) 比處于低能級的原子數(shù)密度低，這是因為處于能級 E的原子數(shù)密度N 的大小時隨能級E的增加而指數(shù)減小，即Nxexp（-E/kT）,這是著名的 波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個能級上的原子數(shù)密度比為N2/N1xexp-(E2-E1)/kT式中k為波耳茲曼常量，T為絕對溫度。因為E2>E1所以N2 N1。例如，已知氫原子基態(tài)能量為E1=-，第一激發(fā)態(tài)能量為E2= 在20C時，kT，則N2/N1x exp （ 400） 0可見，在2

3、0C時，全部氫原子幾乎都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光, 必須外界提供能量使原子到達(dá)激發(fā)態(tài)， 所以普通廣義的發(fā)光是包含了 受激吸收和自發(fā)輻射兩個過程。一般說來，這種光源所輻射光的能量 是不強(qiáng)的，加上向四面八方發(fā)射，更使能量分散了。2、受激輻射和光的放大由量子理論知識知道，一個能級對應(yīng)電子的一個能量狀態(tài)。電 子能量由主量子數(shù)n（n=1,2，）決定。但是實際描寫原子中電子運(yùn)動狀 態(tài)，除能量外，還有軌道角動量 L和自旋角動量s,它們都是量子化 的，由相應(yīng)的量子數(shù)來描述。對軌道角動量，波爾曾給出了量子化公 式Ln= nh,但這不嚴(yán)格，因這個式子還是在把電子運(yùn)動看作軌道運(yùn)動 基礎(chǔ)上得到的。 嚴(yán)格的能量量子化以及

4、角動量量子化都應(yīng)該有量子力 學(xué)理論來推導(dǎo)。量子理論告訴我們,電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時只能發(fā)生在l （角動量量子數(shù)）量子數(shù)相差士 1的兩個狀態(tài)之間，這就是一種選擇 規(guī)則。如果選擇規(guī)則不滿足,則躍遷的幾率很小,甚至接近零。在原 子中可能存在這樣一些能級,一旦電子被激發(fā)到這種能級上時,由于 不滿足躍遷的選擇規(guī)則,可使它在這種能級上的壽命很長,不易發(fā)生 自發(fā)躍遷到低能級上。這種能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。但是,在外加光的 誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級,并放出光子。這種過程是 被“激”出來的,故稱受激輻射。受激輻射的概念世愛因斯坦于 1917 年在推導(dǎo)普朗克的黑體輻 射公式時，第一個提出來的。他從理論

5、上預(yù)言了原子發(fā)生受激輻射的 可能性，這是激光的基礎(chǔ)。受激輻射的過程大致如下：原子開始處于高能級E2,當(dāng)一個外 來光子所帶的能量h u正好為某一對能級之差 E2-E1則這原子可以在 此外來光子的誘發(fā)下從高能級 E2向低能級E1躍遷。這種受激輻射的 光子有顯著的特點，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻 率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一 樣。于是，入射一個光子，就會出射兩個完全相同的光子。這意味著 原來光信號被放大這種在受激過程中產(chǎn)生并被放大的光， 就是激光。3、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一個誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸 收，所以只有當(dāng)處在高能級地原子數(shù)目比處

6、在低能級的還多時，受激 輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢。由此可見，為使光源發(fā)射激 光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級的數(shù)目比低能級 上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎 都處于最低能級（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是 產(chǎn)生激光的必要條件。粒子數(shù)如何實現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布，涉及兩個方面：一是粒子體系（工作 物質(zhì)）的內(nèi)結(jié)構(gòu)；二是給工作物質(zhì)施加外部作用。所講的工作物質(zhì)是 指在特定條件下能使兩個能級間達(dá)到非熱平衡狀態(tài)，而實現(xiàn)光放大， 不是每一種物質(zhì)都能做工作物質(zhì)。 粒子體系中有一些粒子的壽命很短 暫，只有 10-8 秒。有一部分壽命相對較長些，如鉻離子在高能

7、級 E2 上壽命只不過是幾個毫秒。壽命較長的粒子數(shù)能級叫做亞穩(wěn)態(tài)能級， 除鉻離子外，還有一些亞穩(wěn)態(tài)能級，主要有釹離子、氖原子、二氧化 碳分子、氪離子、氬離子等。有了亞穩(wěn)態(tài)能級，在這一時間內(nèi)就可以 實現(xiàn)某一能級與亞穩(wěn)態(tài)能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 以達(dá)到對特定頻率輻射 光進(jìn)行光放大。意即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生光放大的內(nèi)因。那外因是什么 既對亞穩(wěn)態(tài)能級粒子體系（主要工作物質(zhì)）增加某種的外部作用。由 于熱平衡的分布中粒子體系處于低能級的粒子數(shù)， 總是大于處在高能 級上的粒子數(shù)，當(dāng)要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就得給粒子體系增加一種外界 的作用，促使大量低能級上的粒子反轉(zhuǎn)到高能級上，這種過程被叫做 激勵，或被稱為泵浦，尤如把低

8、處的水抽到高處一樣。對固體形的工 作物質(zhì)常應(yīng)用強(qiáng)光照射的辦法，即為光激勵。這類工作物質(zhì)常應(yīng)用的 有摻鉻剛玉、 摻釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石等等。 對氣體形的工作物質(zhì)， 常應(yīng)用放電的辦法， 促進(jìn)特定儲存氣體物質(zhì)按一定的規(guī)律經(jīng)放電而激 勵，常應(yīng)用的工作氣體物質(zhì)，有分子氣體（如 C02氣體）及原子氣體（如He-Ne原子氣體）。如工作物質(zhì)為半導(dǎo)體的物質(zhì)，采用注入大電流方法激勵發(fā)光，常見的有砷化鎵，這類注入大電流的方法被叫做注 入式激勵法。此外，還可應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)方法（化學(xué)激勵法）、超音速 絕熱膨脹法（熱激勵），電子束甚至用核反應(yīng)中生成的粒子進(jìn)行轟擊（電子束泵浦、核泵浦）等方法，都能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。從能量

9、 角度看，泵浦過程就是外界提供能量給粒子體系的過程。激光器中激 光能量的來源， 是由激勵裝置， 其它形式的能量 （諸如光、電、化學(xué)、 熱能等）轉(zhuǎn)換而來。二、激光器的結(jié)構(gòu)激光器一般包括三個部分1、激光工作介質(zhì)激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固 體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的 必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在， 對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)世非常有利的 現(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外道遠(yuǎn)紅外， 非常廣泛。2、激勵源為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵 原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法 來利用具有動

10、能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵；也可用脈沖光 源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵；還有熱激勵、化學(xué)激勵等。各種激 勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不 斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數(shù)比下能級多。3、諧振腔有了合適的工作物質(zhì)和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣 產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無法實際應(yīng)用。于是人們就想到了用光學(xué) 諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝 上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量 透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的 光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振 蕩

11、，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，從部分反 射鏡子一端輸出。按組成諧振腔的兩塊反射鏡的形狀以及它們的相對位置， 可將光 學(xué)諧振腔區(qū)分為：平行平面腔，平凹腔，對稱凹面腔，凸面腔等。平 凹腔中如果凹面鏡的焦點正好落在平面鏡上，則稱為半共焦腔；如果 凹面鏡的球心落在平面鏡上，便構(gòu)成半共心腔。對稱凹面腔中兩塊反 射球面鏡的曲率半徑相同。如果反射鏡焦點都位于腔的中點，便稱為 對稱共焦腔。如果兩球面鏡的球心在腔的中心，稱為共心腔。如果光 束在腔內(nèi)傳播任意長時間而不會逸出腔外，則稱該腔為穩(wěn)定腔，否則 稱為不穩(wěn)定腔。上述列舉的諧振腔都屬穩(wěn)定腔。用兩塊凸面鏡組成的 諧振腔為不穩(wěn)定腔。 平凹腔中如

12、腔長太長， 使凹球面的球心落在腔內(nèi)， 則腔中除沿光軸的光線外， 其它方向光束經(jīng)多次反射后必然會逸出腔 外，故也為不穩(wěn)定腔。對稱凹面腔中，如腔長太長，使兩球面球心分 別落在腔中心點靠近自身一側(cè)，也是一種不穩(wěn)定腔。諧振腔中包含了 能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光工作物質(zhì)。它們受到激勵后，許多原子將躍 遷到激發(fā)態(tài)。但經(jīng)過激發(fā)態(tài)壽命時間后又自發(fā)躍遷到低能態(tài)，放出光 子。其中，偏離軸向的光子會很快逸出腔外。只有沿著軸向運(yùn)動的光 子會在諧振腔的兩端反射鏡之間來回運(yùn)動而不逸出腔外。 這些光子成 為引起受激發(fā)射的外界光場。 促使已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)產(chǎn)生同樣頻率、同樣方向、同樣偏振狀態(tài)和同樣相位的受激輻射。這種過

13、程在諧振腔軸線方向重復(fù)出現(xiàn)，從而使軸向行進(jìn)的光子數(shù)不斷增加， 最后從部分反射鏡中輸出。所以，諧振腔是一種正反饋系統(tǒng)或諧振系 統(tǒng)。諧振腔的另一功能是對激光波型加以選擇，使輸出激光具有一定 的縱模和橫模以紅寶石激光器為例，工作物質(zhì)是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入 少許 3 價鉻離子的三氧化二鋁晶體。實際是摻入質(zhì)量比約為 %的氧化 鉻。由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍(lán)光，所以寶石呈粉紅色。 1960 年梅曼發(fā)明的激光器所產(chǎn)用的紅寶石是一根直徑、長約 8cm 的圓棒。 兩端面是一對平行平面鏡， 一端鍍上全反射膜， 一端有 10%的透射率， 可讓激光透出。紅寶石激光器中，用高壓氙燈作“泵浦”，利用氙燈所發(fā)出的

14、強(qiáng)光激發(fā)鉻離子到達(dá)激發(fā)態(tài) E3,被抽運(yùn)到E3上的電子很快（10- 8s）通過無輻射躍遷到E2。E2是亞穩(wěn)態(tài)能級，E2到E1的自發(fā)輻射幾 率很小，壽命長達(dá)10-3S,即允許粒子停留較長時間。于是，粒子就 在E2上積聚起來，實現(xiàn)E2和E1兩能級上的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。從E2到E1 受激發(fā)射的波長是的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一 個光脈沖的持續(xù)時間不到1ms，每個光脈沖能量在10J以上；也就是 說，每個脈沖激光的功率可超過10kW的數(shù)量級。注意到上述鉻離子 從激發(fā)到發(fā)出激光的過程中涉及到三條能級，故稱為三能級系統(tǒng)。由 于在三能級系統(tǒng)中，下能級 E1 是基態(tài)，通常情況下積聚大量原子， 所以要達(dá)到

15、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，要有相當(dāng)強(qiáng)的激勵才行。三、激光器的種類對激光器有不同的分類方法，一般按工作介質(zhì)的不同來分類， 在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。 另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器， 其中脈沖激光的峰值功率可以非常大， 還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功 率大小分類。1、固體激光器一般講，固體激光器具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率 大的特點。這種激光器的工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中 均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還 有釔鋁石榴石（YAG晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm 的近紅外激光。固體激光器一般連

16、續(xù)功率可達(dá) 100W以上，脈沖峰值 功率可達(dá) 109W。2、氣體激光器氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、 造價低；操作方便； 工作介質(zhì)均勻， 光束質(zhì)量好；以及能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點。工作物質(zhì)主要 以氣體狀態(tài)進(jìn)行發(fā)射的激光器在常溫常壓下是氣體， 有的物質(zhì)在通常 條件下是液體（如非金屬粒子的有水、汞），及固體（如金屬離子結(jié) 構(gòu)的銅，鎘等粒子），經(jīng)過加熱使其變?yōu)檎魵?，利用這類蒸氣作為工 作物質(zhì)的激光器，統(tǒng)歸氣體激光器之中。氣體激光器中除了發(fā)出激光 的工作氣體外，為了延長器件的工作壽命及提高輸出功率，還加入一 定量的輔助氣體與發(fā)光的工作氣體相混合。氣體激光器大多應(yīng)用電激勵發(fā)光，即用直流，交流及高頻電 源

17、進(jìn)行氣體放電，兩端放電管的電壓增壓時可加速電子，帶有一定能 量，在工作物質(zhì)中運(yùn)動的電子與粒子（氣體的原子或分子）碰撞時將 自身的能量轉(zhuǎn)移給對方， 使分子或原子被激發(fā)到某一高能級上而形成 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光。氣體激光器與固體激光器相比較，兩者中以 氣體激光器的結(jié)構(gòu)相對簡單得多，造價較低，操作簡便，但是輸出功 率常較小。因氣體激光器中的工作物質(zhì)不同。因此分中性（惰性）原 子、離子氣體、分子氣體三種激光器。3、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。這種激光器體 積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅固。 常用材料有砷化鎵 （ GaAs）、 硫化鎘（CdS、磷化銦（InP）、硫化鋅（Zn

18、S等。激勵方式有電注入、 電子束激勵和光泵浦三種形式。半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單 異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器室溫時多 為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時可實現(xiàn)連續(xù)工作。這種激光器 的特點是體積小，能耗低，功率低（因此對人眼相對安全一些），能 在常溫下運(yùn)行。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光的概念是 1963 年由克勒默提出的， 其要點如下：處于反轉(zhuǎn)態(tài)的載荷子集中在帶隙更小的薄層里，這一薄 層像三明治一樣嵌插在高帶隙的各層之間，形成活性區(qū)。這些被激發(fā) 的載荷子的密度變得越來越比摻雜的區(qū)域高。 光子都限制在這一活性 區(qū)內(nèi)，帶隙低而折射率高。異質(zhì)結(jié)構(gòu)就像光導(dǎo)管一樣工作，在高帶隙 的區(qū)域內(nèi)光損失可以忽略不計。于是，引起激光效應(yīng)的反轉(zhuǎn)載流子和 光子都集中在活性區(qū)里。 這樣就有可能在不加冷卻的情況下大大降低 閾電流并且實現(xiàn)連續(xù)操作?？死漳€建議基極采用斜坡式的能隙，以 取代結(jié)上出現(xiàn)能隙的突變。在這個理論的引導(dǎo)下， 1970年雙異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體激光器終于實現(xiàn) 了室溫