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，能級間的能量量子化。當(dāng)物質(zhì)受到光的輻照時，光與物質(zhì)(原子、分子、電子等)相互作用，存在三種光躍遷過程(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光場中的光子，從低能級躍遷至 高能級，滿足hv=e2-e1,(受激)吸收使外來光子數(shù)減少。躍遷幾率(躍遷概率)為

2、b12u(v)n1 ，其中b12為愛因斯坦b系數(shù)，u(v)為光場,n1為低能級上的粒子數(shù)?？梢娛芗の张c光場和低能級的粒子數(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，處于不穩(wěn)定，向低能級躍遷，躍遷過 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為愛因斯坦a系數(shù)，n2為高能級上的粒子數(shù)?？梢娮园l(fā)輻射與高能級的粒子數(shù)有關(guān)系。a21的物理意義是指單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的粒子數(shù)密度，占e2能級總粒子數(shù)密度的百分比，即每一個處于e2能級的粒子在單位時

3、間內(nèi)發(fā)生的自發(fā)躍遷幾率。3、受激輻射 stimulated emission外來光子輻照至高能級的粒子，粒子結(jié)果產(chǎn)生向低能級躍遷，冋時輻射出一個光子，這個光子與外來的入射光子波長頻率一致I,滿足hv-e2-e1。受激輻射的光子與外來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，輸入一個光子，輸出變成了兩個狀態(tài)完全相同的光子，并且這兩個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愛因斯坦b系數(shù)，受激輻射系數(shù)，u(v)為光場, n2為高能級上粒子數(shù)?？梢?，受激輻射與

4、光場和處于高能級的粒子數(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，粒子都處于低能級上，高能級上沒有粒子。以溫度t=3000k的熱輻射光源，發(fā)射可見光500納米為例，n2/n1 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1說明受激輻射強(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e2的粒子數(shù)n2遠(yuǎn)大于低能級e1的粒子數(shù)n1。激光器采用激勵抽運(yùn)系統(tǒng)（多采用光學(xué)激勵或氣體放電激勵）實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。泵浦源提供能量，將低能級e1上的粒子抽運(yùn)輸送至高能級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，高能級間e3至e2的躍遷是無輻射躍遷， 即激發(fā)態(tài)粒子弛豫的過程。這樣，高能級上e2的粒子數(shù)就增多了， 從而實(shí)現(xiàn)高能級e2上的粒子數(shù)比低能級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)計為長條棒狀。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，一個鏡子為反射率100%勺全反射鏡3,另一個鏡子反射率略小于100%為激光輸出反射鏡 4。光源發(fā)出光子，刺激高能級的反轉(zhuǎn)粒子，高能級的反轉(zhuǎn)粒子向低能級產(chǎn)生輻射躍遷， 發(fā)出相同的光束，所以一個光子變成了2個光子，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。正反饋過程在來回反射過程中，初始很小的光，就會被放大到一個很高級別的光（指光子數(shù)從1被放大到很大很大），使得這個粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的體系里面的能量全部向這個方向集 中，最后在輸出反射鏡這個地方，總有一點(diǎn)分量溢出耦合出來，即輸出激光。在這個放大過 程中，在其他方向上同時也產(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于固定的共振系統(tǒng)，只能響應(yīng)一個頻率，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）。諧振腔中兩個鏡子是固定的結(jié)點(diǎn)，光就像弦。只有當(dāng)光的波長是光程的半整數(shù)倍時，光來回的一個反射才是增強(qiáng)的，否則，會相干消掉。