激光產(chǎn)生原理

1、激光產(chǎn)生原理一、激光產(chǎn)生原理要學(xué)習(xí)激光原理我們需要先了解以下這些概念1能級(jí)物質(zhì)是由原子組成， 而原子又是由原子核及電子構(gòu)成。 電子圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)。 而電子在原 子中的能量不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們， 這些電子會(huì)處于一些固定的 能 級(jí)”，不同的能級(jí)對(duì)應(yīng)于不同的電子能量，離原子核越遠(yuǎn)的軌道能量越高。此外，不同軌道可最多容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道（也是最近原子核的軌道）最多只可容納2個(gè)電子，較高的軌道上則可容納8個(gè)電子等等。2、躍遷電子可以通過(guò)吸收或釋放能量從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)。例如當(dāng)電子吸收了一個(gè)光子時(shí)，它便可能從一個(gè)較低的能級(jí)躍遷至一個(gè)較高的能級(jí)。同樣地，一個(gè)位

2、于高能級(jí)的電子也會(huì)通過(guò)發(fā)射一個(gè)光子而躍遷至較低的能級(jí)。 在這些過(guò)程中，電子釋放或吸收的光子能量總是 與這兩能級(jí)的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長(zhǎng)， 因此，吸收或釋放的光具有固定 的顏色。3、自發(fā)輻射指高能級(jí)的電子在沒(méi)有外界作用下自發(fā)地遷移至低能級(jí)，并在躍遷時(shí)產(chǎn)生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hv=E2-E1,即兩個(gè)能級(jí)之間的能量差。這種輻射的特點(diǎn)是每一個(gè)電子的躍遷是自發(fā)的、獨(dú)立進(jìn)行的，其過(guò)程全無(wú)外界的影響，彼此之間也沒(méi)有關(guān)系。因此它們發(fā)出的光子的狀態(tài)是各不相同的。這樣的光相干性差，方向散亂。4、受激吸收受激吸收就是處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)。電子可通過(guò)吸收光子從低能級(jí)躍

3、遷到高能級(jí)。普通常見(jiàn)光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等的發(fā)光）都是由于物質(zhì)在 受到外來(lái)能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電子吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍 遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過(guò)程是一個(gè)受激吸收”過(guò)程。5、受激輻射受激輻射是指處于高能級(jí)的電子在光子的刺激”或者 感應(yīng)”下，躍遷到低能級(jí)，并輻射出一個(gè)和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點(diǎn)是由受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻 射的原來(lái)的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率， 相同的方向，完全無(wú)法區(qū)分出兩者的差異。這樣，通過(guò)一次受激輻射， 一個(gè)光子變?yōu)閮蓚€(gè)相同的光子。這意味著光被加強(qiáng) 了，或者說(shuō)光被放大了。這正是產(chǎn)生激光的基本

4、過(guò)程。光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長(zhǎng)和相位，此波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)的能量差。一個(gè)光子誘發(fā)一個(gè)原子發(fā)射一個(gè)光子，最后就變成兩個(gè)相同的光子。6、受激吸收和受激輻射之間的關(guān)系那么到底原子吸收外來(lái)的光子后，是表現(xiàn)為受激吸收呢還是受激輻射呢？在一個(gè)原子體系中， 總有些原子處于高能級(jí)， 有些處于低能級(jí)。 而自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子既可 以去刺激高能級(jí)的原子使它產(chǎn)生受激輻射，也可能被低能級(jí)的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子體系的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時(shí)存在的。 如果想獲得越來(lái)越強(qiáng)的光，也就是說(shuō)產(chǎn)生越來(lái)越多的光子，就必須要使受激輻

5、射產(chǎn)生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎樣才能做到這一點(diǎn)呢？我們知道，光子對(duì)于高低能級(jí)的原子是一視同仁的。在光子作用下，高能級(jí)原子產(chǎn)生受激輻射的機(jī)會(huì)和低能級(jí)的原子產(chǎn)生受激吸 收的機(jī)會(huì)是相同的。這樣，是否能得到光的放大就取決于高、低能級(jí)的原子數(shù)量之比。若位于高能態(tài)的原子遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于位于低能態(tài)的原子，我們就得到被高度放大的光。但是，在通常熱平衡的原子體系中，原子數(shù)目按能級(jí)的分布服從玻爾茲曼分布規(guī)律。因此，位于高能級(jí)的原子數(shù)總是少于低能級(jí)的原子數(shù)。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。7、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一個(gè)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(jí)的原子

6、數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激輻射才能超過(guò)受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn)，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(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，這種情況，稱(chēng)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(jí)（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。那么如何才能達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)呢？這需要利用激活媒質(zhì)。所謂激活媒質(zhì)（也稱(chēng)為放大媒質(zhì)或放大介質(zhì)），就是可以使某兩個(gè)能級(jí)間呈現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)。它可以是氣體，也可以是固體或液體。 用二能級(jí)的系統(tǒng)來(lái)做激活媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是不可能的。要想獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須使用多能級(jí)系統(tǒng)。 8、波爾茲曼分布規(guī)律 在通常熱平衡條件下，處

7、于高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度 N2,遠(yuǎn)比處于低能級(jí)的原子數(shù)密度低， 這是因?yàn)樘幱谀芗?jí) E的原子數(shù)密度N的大小時(shí)隨能級(jí) E的增加而指數(shù)減小，即Naexp（-E/kT）, 這就是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為：N2/N1 8exp-（E2-E1）/kT式中k為波耳茲曼常量，T為絕對(duì)溫度。因?yàn)镋2>E1,所以N2 «N1o例如，已知?dú)湓踊鶓B(tài)能量為 E1 = 13.6eV, 第一激發(fā)態(tài)能量為 E2=-3.4eV,在 20c時(shí)，kT0.025eV 則 N2/N1 exp （ 400）0 可見(jiàn)，在20c時(shí)，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

8、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(gè)過(guò)程。一般說(shuō)來(lái)，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。 激光產(chǎn)生過(guò)程二、激光產(chǎn)生過(guò)程以紅寶石激光器為例，原子首先吸收外部注入的能量，躍遷至受激態(tài)（E3）。原子處于受激態(tài)的時(shí)間非常短，大約為 107秒后，它便會(huì)落到一個(gè)稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)（ E2）的中間狀態(tài)。原子 在亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間很長(zhǎng)， 大約是103秒或更長(zhǎng)的時(shí)間。原子長(zhǎng)時(shí)間停留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此時(shí)的狀態(tài)稱(chēng)就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。其產(chǎn)生的結(jié)果就導(dǎo)致使通過(guò)受激輻射由亞穩(wěn)回到基態(tài)（E1）的原子，比通過(guò)受激吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原

9、子為多，從而保證介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，從而形成激光。這就是典型的激光三能級(jí)系統(tǒng)。當(dāng)粒子受外界能量激勵(lì)從 E1到E3,由于E3能級(jí)壽命短，很快轉(zhuǎn)移到 E2上，因能級(jí)E2為 亞穩(wěn)態(tài)，在E2、E1間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。由于下能級(jí) E1為基態(tài)，通?？偸欠e聚著大量的 粒子，因此要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須將半數(shù)以上的基態(tài)粒子激發(fā)到E2上，所以，外界激勵(lì)就需要有相當(dāng)強(qiáng)的能力。而我們所用的YAG激光系統(tǒng)屬于四能級(jí)系統(tǒng)。如所示，能級(jí) E1為基態(tài)，E2、E3、E4為激發(fā) 態(tài)。在外界激勵(lì)的條件下，基態(tài) E1上的粒子大量被激發(fā)到 E4上，又迅速轉(zhuǎn)移到 E3上，E3 能級(jí)為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)。而 E2能級(jí)壽命很短，E2上的粒

10、子又很快躍遷到基態(tài) E1,所以，四能級(jí)系統(tǒng)中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是在E3與E2間實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光下能級(jí)是E2,不像三能級(jí)系統(tǒng)那樣，為基態(tài)E1。因?yàn)镋2不是基態(tài)，所以在室溫下，E2能級(jí)上的粒子數(shù)非常少。因而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)激光器中，除摻鉉鈕鋁石榴石（簡(jiǎn)Nd3+:YAG）激光器外，MM激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級(jí)系統(tǒng)激光器。需要指明，以上討論的三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)都是對(duì)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中直接有關(guān)的能級(jí)而言，不是說(shuō)某種物質(zhì)只具有三個(gè)能級(jí)或四個(gè)能級(jí)。三、激光器的結(jié)構(gòu)激光三要素：工作介質(zhì)、激勵(lì)源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

11、體、液體、固體或半導(dǎo)體。關(guān)鍵是能在這種介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光的必要條件。顯然， 亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，對(duì)實(shí)現(xiàn)粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的。2、激勵(lì)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(lì)原子體系， 使處于上能級(jí)的粒 子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來(lái)利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱(chēng)為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來(lái)照射工作介質(zhì)，稱(chēng)為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱(chēng)為泵浦或抽運(yùn)。 為了不斷得到激光輸出， 必須不斷地 泉浦”以維持處于上能級(jí)的 粒子數(shù)比下能級(jí)多。3、諧振腔有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)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(wú)

12、法實(shí)際應(yīng)用。還需要將輻射的光進(jìn)行放大，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(shí)際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片， 一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未達(dá)到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達(dá)到一定能量限度的光子則透射而出。這樣，透射而出的這部分光子就成為我們需要的，經(jīng)過(guò)放大了的激光；而被反射回工作介質(zhì)的光，則繼續(xù)誘發(fā)新一輪的受激輻射，光將逐漸被放大。因此， 光在諧振腔中來(lái)回振蕩， 造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大， 產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，直到能量達(dá) 到一定的限度，從部分反射鏡片中

13、輸出。激光器的種類(lèi)：對(duì)激光器有不同的分類(lèi)方法，一般按工作介質(zhì)的不同來(lái)分類(lèi)，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(lèi)。1、固體激光器一般講，固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。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，常用的還有鈕鋁石榴石（ YAGG晶體中摻入三價(jià)被離子的激光器，它發(fā)射 1060nm的 近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率

14、可達(dá) 109W。2、氣體激光器氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點(diǎn)。這也是目前品種最多、 應(yīng)用廣泛的一類(lèi)激光器， 占有市場(chǎng)達(dá)60%左右。其中，氨-速激光器是最常用的一種。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。目前較成熟的是神化錢(qián)激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的神化錢(qián)、硫化銘硫化鋅等激光器。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別適于在飛機(jī)、車(chē)輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤(pán)技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。4、液體激光器常用的是染料激

15、光器，采用有機(jī)染料最為工作介質(zhì)。 大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長(zhǎng)激光（在可見(jiàn)光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有僦離子激光器等。液體激 光器工作原理比較復(fù)雜。 輸出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點(diǎn)， 使它也得到廣泛應(yīng)用。四、各類(lèi)激光詳解五、激光的特點(diǎn)1、相干性好2、方向性強(qiáng)3、單色性好1、相干性好一個(gè)幾十瓦的電燈泡，只能用作普通照明。如果把它的能量集中到1m直徑的小球內(nèi)，就可以得到很高的光功率密度， 用這個(gè)能量能把鋼板打穿。 然而，普通光源的光是向四面八方發(fā) 射的，光能無(wú)法高度集中。 普通光源上不

16、同點(diǎn)發(fā)出的光在不同方向上、 不同時(shí)間里都是雜亂 無(wú)章的，經(jīng)過(guò)透鏡后也不可能會(huì)聚在一點(diǎn)上。激光與普通光相比則大不相同。因?yàn)樗念l率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會(huì)聚到一點(diǎn)上，把能量高度集中起來(lái)，這就叫相干性高。一臺(tái)巨脈沖紅寶石激光器的亮度可達(dá)1015w/cm2?sr ,比太陽(yáng)表面的亮度還高若干倍。具有高亮度的激光束經(jīng)透鏡聚焦后，能在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬(wàn)度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。2、方向性強(qiáng)激光的方向性比現(xiàn)在所有的其他光源都好得多，它幾乎是一束平行線(xiàn)。如果把激光發(fā)射到月球上去，歷經(jīng)38.4萬(wàn)公里的路程后，也只有一個(gè)直徑為2km左右的光斑。3、單色性好：受激輻射光（激光）是原子在發(fā)生受激輻射時(shí)釋放出來(lái)的光，其頻率組成范圍非常狹窄，通俗一點(diǎn)講，就是受激輻射光單色性非常好，激光的顏色”非常的純（不同顏色，實(shí)際就是不同頻率）。激光的單色性是實(shí)現(xiàn)激光加工的重要因素。我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的物理實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明 這個(gè)問(wèn)題。我們使用三棱鏡，可以將一束太陽(yáng)光分解成七色光譜帶，其原理是日光其實(shí)是多種波長(zhǎng)的光混合在一起的復(fù)色光， 不同波長(zhǎng)的光透過(guò)同一介