激光的基本原理

1、激光的基本原理一、光與物質(zhì)的關(guān)系前述過光、原子、能級和光譜。物質(zhì)是由一些同類微粒組成（即原子、分子、離子）。由于這些能級處于不同的能級上，而在這些能級中，用E1及E2分別表示兩個能級量，E1所帶的能量少，屬低能級。E2所帶的能量多。為高能級。由于粒子所含 的能量不同，總的來說粒子在低能級的占多數(shù)，高能級的占少數(shù)。因此在低能級（E1）中的粒子數(shù)大于高能級中（E2 ）的粒子數(shù)?？捎脠D18表示、低能級（E1E2 ）上粒子 數(shù)的分布。粒子二能級分布圖光與物質(zhì)作用有三方面（1 ）受激吸收 低能級E1的粒子當吸收一定頻率r21的外來光能時，粒子的 能量就會增到E2 = E1 + hr21（h）表示普朗克常

2、數(shù)），粒子就從低能級E1躍遷到高能級E2上，這一過程叫做受激吸收，而外來光的能量被吸收，使光減弱。粒子進行躍遷不 是自發(fā)的，要靠外來光子刺激而進行。粒子是否能吸收發(fā)來的光子，還得取決于兩個能 級（E1和E2）性質(zhì)和趨近于粒子的光子數(shù)的多少有關(guān)。而與其它方向。位相等方面就 無任何限制。（2 ）自發(fā)輻射處于高能級的粒子很不穩(wěn)定，不可能長時間的停留在高能級上。 以氫原子為例，在高能級停留的時間只有10-8秒（粒子在高能級停留的時間為粒子的壽命，壽命長的為亞穩(wěn)態(tài)能級）。因此，在高能級E2中的粒子會迅速躍遷到低能級E1上，同時以光子的形式放出能量hr21 = E2 E1 （hr21為輻射光子頻率）。這一

3、過程不受到外界的作用時完全是自發(fā)的。所產(chǎn)生的光沒有一定規(guī)律，相位和方向都不一致。 不是單色光。我們在日常生活中也可以看到的如日光燈，高壓汞燈和一些充有氣體的燈，發(fā)光都是自發(fā)輻射的過程，這些光是向各個方向傳播。因此與受輻射發(fā)出的光，其相位 和方向完全相反。這種以光的形式輻射出來的，叫做自發(fā)輻射躍遷?？墒窃谲S遷的過程 中有一些不產(chǎn)生光輻射的躍遷，而它們主要是以熱的運動形式消耗能量，即為無輻射躍 遷。自發(fā)輻射的特點，即每一個粒子的躍遷都是自發(fā)的，孤立地進行，也就是相互獨立，彼此無聯(lián)系。產(chǎn)生的光子雜亂無章，無規(guī)律性。'21.基能級上的粒子2粒子被激發(fā)到E2能級上1. 處于高能級E2上的粒子2.

4、粒子躍遷到低能級 E1上，同時發(fā)射出一干光子(3)受激輻射它是與受激發(fā)吸收的相反過程。處于高能級的粒子，在某種頻率r21光子誘發(fā)下，從原來所在的能級上 E2，放出與外來光子完全相同光子， 此時既產(chǎn)生 了一個光子(受激發(fā)前后共有 2個光子)，使原來的能量減少 AE= hr21。把高能級上 的粒子躍遷到低能級E1上的這一過程稱做受激輻射。受激輻射的特點本身不是自發(fā)躍遷，而是受外來光子的刺激產(chǎn)生。因而粒子釋放出的光子與原來光子的頻率、方向傳播、相位及偏振等完全一樣，無法區(qū)別出哪一個 是原來的光子，哪一個是受激發(fā)后而產(chǎn)生的光子，受激輻射中由于光輻射的能量與光子 數(shù)成正比例，因而在受激輻射以后，光輻射能

5、量增大一倍。以波動觀點看，設(shè)外來光子 為一種波，受激輻射產(chǎn)生的光子為另一種波，由于兩個波的相位、振動方向，傳播的方 向及頻率相同。兩個波合在一起能量就增大一倍，即通過受激輻射光波被放大。外來光子量越多，受激發(fā)的粒子數(shù)越多，產(chǎn)生的光子越大，能量越高1.處于高能級E2上的粒子。2.粒子躍遷到低能級 E1上，同時發(fā)射出一個光子&* E受激輻射時光束放大從上可知，受激輻射及吸收同時存在于光輻射與粒子體系，是在同一整體之中相互對立的兩個方面，它們發(fā)生的可能性是同等的，這兩個方面即受激輻射與吸收哪一 個占主導(dǎo)地位，取決于粒子在兩個能級上的分布。激光器發(fā)出的激光就是利用受激輻射而實現(xiàn)的，也就是在基發(fā)

6、態(tài)的粒子數(shù)盡可能多些。以實現(xiàn)受激輻射。二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大在受激輻射中怎樣把粒子數(shù)提高到高能級上，總的來說粒子數(shù)在能級上的分布 有兩種：一種是熱平衡分布，即粒子體系（同種粒子）在熱平衡狀態(tài)下，各能級上的粒 子數(shù)遵從玻耳茲曼分布：公式 Ni = Ne Ei/KT , Ni為單位體積中總的粒子數(shù)，K為玻耳茲曼常數(shù)（1.38 X10-6 ） , T為絕對溫度。把兩上能級上的粒子數(shù)相比時可以看到，N2/N1 = e（-E2-E1）/KT，由于 E2 > E1，而絕對 T工 0, K 是正整數(shù)，KT > 0 因此 N2 v N1。 其主要原理是高能級上的粒子數(shù)，要比低能級的粒子數(shù)少（在受激

7、發(fā)時）。光輻射在熱 平衡狀態(tài)下的粒子體系在相互作用下，粒子體系吸收光子的數(shù)大于受激輻射產(chǎn)生的光子 數(shù)，光吸收起主導(dǎo)作用。在一般的情況下觀察不到光的放大現(xiàn)象，但可以觀察到光的吸 收現(xiàn)象。要想實現(xiàn)光的放大作用，必須得把熱平衡分布倒轉(zhuǎn)過來，就可使粒子數(shù)在能級 中進行另一種新的分布，即非熱平行分布。這種新的分布使高能級上粒子分布的數(shù)量大 于在低能級上粒子分布的數(shù)量，即N2 > N1 o這時受激輻射的過程大于吸收過程，從而實現(xiàn)光放大，一般常稱為粒子反轉(zhuǎn)分布。所謂的反轉(zhuǎn)”是對熱平衡分布比較而言。處于高能級被反轉(zhuǎn)上去的粒子很不穩(wěn)定，常會自發(fā)在或在外加的刺激下輻射出能量，從高能級粒子躍遷到低能級上，促使

8、粒子體系回到熱平衡分布狀態(tài)。因而可以看 出，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實現(xiàn)受激輻射的必要條件之一。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

9、現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以達到對特定頻率輻射光進行光放大。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 低處的水抽到高處一樣。經(jīng)過大量實踐，了解并掌握了一些粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有效方法。對固體形的工作物 質(zhì)常應(yīng)用強光照射的辦法，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

10、進特定儲存氣體物 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)用化學反應(yīng)方法（化學激勵法）、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、熱能等）轉(zhuǎn)換而來。a三、光學諧振腔處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的粒子體

11、系（工作物質(zhì)）。具有特定頻率的光進行放大。激光振蕩器中工作物質(zhì)發(fā)出的光不是外來的，而是工作物質(zhì)本身自發(fā)躍遷而產(chǎn)生的，即 自發(fā)輻射（非受激輻射）。由于自發(fā)輻射沒有確定的頻率及傳播方向，且雜亂無章。為 使自發(fā)輻射頻率單一性，就需要有一裝置來實現(xiàn)，即光學諧振腔。要解決自發(fā)輻射，使其呈單一性的方法是只有在工作物質(zhì)的兩側(cè)放置兩塊反射鏡。而且兩塊反射鏡必須彼此平行，并與工作物質(zhì)的光軸垂直。兩個反射鏡中，一個是全反射鏡，反射有效率為 99.8 %，個是半反射鏡。反射率為40 %60%。諧振腔即指兩塊反射鏡構(gòu)成的空間。在諧振腔中，初始的光輻射是來自自發(fā)輻射，即處于高能級 上粒子自發(fā)輻射光子躍遷到低能級。由于這

12、類輻射出來的光子初相位無規(guī)律地向四面八方射出。這種光不是激光。而是像點烯的一個火種尤如生爐子點火一樣。激光振蕩反射示意圖自發(fā)輻射光子不斷產(chǎn)生，同時射向工作物質(zhì)，再激發(fā)工作物質(zhì)產(chǎn)生很多新光子（受激輻射）。光子在傳播中一部分射到反射鏡上，另一部分則通過側(cè)面的透明物質(zhì)跑 掉。光在反射鏡的作用下又回到工作物質(zhì)中，再激發(fā)高能級上的粒子向低能級躍遷，而 產(chǎn)生新的光子。在這些光子中，不在沿諧振腔軸方向運動的光子。就不與腔內(nèi)的物質(zhì)作 用。沿軸方向運動的光子，經(jīng)過諧振腔中的兩個反射鏡多次反射，使受激輻射的強度越 來越強。促使高能級上的粒子不斷地發(fā)出光來。如果光放大到超過光損耗時（衍射、吸 收、散射等損失）產(chǎn)生光

13、的振蕩，使積累在沿軸方向的光，從部分反射鏡中射出這就形 成激光。在諧振腔的反饋過程中，我們了解到光只能沿諧振腔的軸向傳播，因此激光具 有很高的方向性。又由于諧振腔中兩個反射鏡之間距離不同，光在腔內(nèi)不斷地反射，得 到加強。而其它波長的光在腔內(nèi)很快被衰減掉，諧振腔就可以選擇一固定波長，說明激 光具有單色性。而激光的亮度高是由光放大產(chǎn)生的。四、產(chǎn)生激光的條件和過程激光的產(chǎn)生，必須有激光器，而激光器必須具備三個主要的組成部分。1. 激活物質(zhì) 即被激勵后能發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，也稱做激光工作物質(zhì)。 諸如氖、氬、CO2、紅寶石及釹玻璃等。必須具備有亞穩(wěn)態(tài)能級性質(zhì)的物質(zhì)。2. 激勵裝置 能使激活介質(zhì)發(fā)生

14、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能源，既稱為激勵裝置。如 各種激光器所具備的電源。3光學諧振腔能使光子在其中重復(fù)振蕩并多次被放大的一種由硬質(zhì)玻璃制成的諧振腔。產(chǎn)生激光的過程可歸納為：激勵 -激活介質(zhì)（即工作物質(zhì)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；被激 勵后的工作物質(zhì)中偶然發(fā)出的自發(fā)輻射 T其它粒子的受激輻射 T光子放大T光子振蕩 及光子放大-激光產(chǎn)生?；谝陨纤?，在激光產(chǎn)生的原則中缺一因素不可。從原理了解激光形成的過 程，對具體使用好激光手術(shù)刀很重要。并可能在工作中能得心應(yīng)手地掌握激光。能盡量 大限度地維護激光器， 及防止在使用時所產(chǎn)生的傷害。由于激光波長與不同種類的激光 器中的工作物質(zhì)密切相關(guān)，在后將作詳述。五、激光器的分類

15、實際應(yīng)用的激光器種類很多，如以組成激光器的工作物質(zhì)來說可分為氣體激光 器、液體激光器、固定激光器、半導(dǎo)體激光器、化學激光器等。在同一類型的激光器中 又包括有許多不同材料的激光器。 如固體激光器中有紅寶石激光器、 釔鋁石榴石 （Nd： YAG）激光器。氣體型的激光器主要有He-Ne （氦氖）、C02及氬離子激光器等。由于工作物質(zhì)不同，產(chǎn)生不同波長的光波不同，因而應(yīng)用范圍也不相同。最常用而范圍 廣的有 CO2laser 及 Nd： YAG 激光。有的激光器可連續(xù)工作，如 He-Ne laser ；有的 以脈沖形式發(fā)光工作。如紅寶石激光。而另一些激光器既可連續(xù)工作，又可以脈沖工作 的有 CO2las

16、er 及 Nd： YAG laser 。（一）固體激光器 實現(xiàn)激光的核心主要是激光器中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光工作物質(zhì)（即含有 亞穩(wěn)態(tài)能級的工作物質(zhì)）。如工作物質(zhì)為晶體狀的或者玻璃的激光器，分別稱為晶體激 光器和玻璃激光器，通常把這兩類激光器統(tǒng)稱為固體激光器。在激光器中以固體激光器發(fā)展最早，這種激光器體積小，輸出功率大，應(yīng)用方 便。由于工作物質(zhì)很復(fù)雜，造價高。當今用于固體激光器的物質(zhì)主要有三種：摻釹鋁石 榴石（Nd : YAG ）工作物質(zhì)，輸出的波長為 1.06 口m呈白藍色光；釹玻璃工作物質(zhì)，輸 出波長1.06 口m呈紫藍色光；紅寶石工作物質(zhì)，輸出波長為694.3nm，為紅色光。主要用光泵的

17、作用，產(chǎn)生光放大，發(fā)出激光，即光激勵工作物質(zhì)。固定激光器的結(jié)構(gòu)由三個主要部分組成：工作物質(zhì)，光學諧振腔、激勵源。聚 光腔是使光源發(fā)出的光都會聚于工作物質(zhì)上。 工作物質(zhì)吸收足夠大的光能， 激發(fā)大量的 粒子， 促成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 當增益大于諧振腔內(nèi)的損耗時產(chǎn)生腔內(nèi)振蕩并由部分反射鏡一 端輸出一束激光。工作物質(zhì)有 2 條主要作用：一是產(chǎn)生光；二是作為介質(zhì)傳播光束。因 此，不管哪一種激光器，對其發(fā)光性質(zhì)及光學性質(zhì)都有一定要求。（二）氣體激光器 工作物質(zhì)主要以氣體狀態(tài)進行發(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

18、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，交流及高頻電源進行氣體放電， 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)

19、不同。因此分中性（惰性）原子、離子氣體、分子氣體三種激光器。中性原子氣體激光器這類激光器中主要充有以惰性氣體（氦、氖、氬、氪等） 的物質(zhì)。氦氖（ He-Ne ）激光器 首臺氦氖激光器誕生于 1960 年，它可以在可見光區(qū)及紅外區(qū)中產(chǎn)生多種波長和激光譜線，主要產(chǎn)生的有632.8nm紅光、和1.15 口 m及3.39 口m紅外光。632.8nm氦氖激光器最大連續(xù)輸出功率可達到一W，壽命也達到一萬小時以上。借助調(diào)節(jié)放大電流大小，使功率穩(wěn)定性達到 30 秒內(nèi)的誤差為 0.005 ，十 分鐘內(nèi)的誤差為 0.015的功率穩(wěn)定度；發(fā)散角僅為 0.5毫弧度。氦氖激光器除了具有 一般的氣體激光器所固有的方向性好

20、， 單色性好， 相干性強諸優(yōu)點外， 還具有結(jié)構(gòu)簡單、 壽命長、價廉、頻率穩(wěn)定等特點。氦氖激光在精確指示，激光測量，醫(yī)療衛(wèi)生方面有很 廣泛的用途。氦氖激光器的工作原理：氦氖激光器的激光放電管內(nèi)的氣體在涌有一定高的電 壓及電流（在電場作用下氣體放電），放電管中的電子就會由負極以高速向正極運動。 在運動中與工作物質(zhì)內(nèi)的氦原子進行碰撞， 電子的能量傳給原子， 促使原子的能量提高， 基態(tài)原子躍遷到高能級的激發(fā)態(tài)。這時如有基態(tài)氖原子與兩能級上的氦原子相碰，氦原子的能量傳遞給氖原子，并從基態(tài)躍遷到激發(fā)的能級狀態(tài)，而氦原子回到了基態(tài)上。因 為放電管上所加的電壓，電流連續(xù)不斷供給，原子不斷地發(fā)生碰撞。這就產(chǎn)生了

21、激光必須具備的基本條件。在發(fā)生受激輻射時，分別發(fā)出波長3.39 口m, 632.8nm , 1.53 口m三種激光，而這三種激光中除 632.8nm 為可見光中的紅外光外，另二種是紅外區(qū)的輻射 光。因反射鏡的反射率不同,只輸出一種較長的光波 632.8nm 的激光。He-Ne 激光器結(jié)構(gòu)：此類激光器的結(jié)構(gòu)大體可分為三部分,既放電管、諧振腔 和激發(fā)的電源?，F(xiàn)在臨床上最常應(yīng)用的為內(nèi)腔式。He-Ne激光的放電管，最外層是用硬質(zhì)玻璃制成。放電的內(nèi)管直徑約23mm , 管長幾厘米到十幾厘米,放電管越長功率越大,相應(yīng)的放電電壓就高。管內(nèi)主要按5：110：1 的比例充入氦氖混合氣體達到總氣壓約2.66 3.

22、99Pa 。管的一端裝有鋁圓筒作陰極（其圓管狀結(jié)構(gòu)主要是為了減少放電測射）,另一端裝有鎢針作陽極,放電管兩 端裝有反射鏡（即一頭為全反射鏡,出光一端為半反射鏡）。這就構(gòu)成了激光放電管。在氦氖激光器中,采用的諧振腔有球面腔或平凹腔。一般腔鏡內(nèi)側(cè)鍍有高反射 率的介質(zhì)。在其中一端反射率為100,另一端反射率由激光器的增益而定。放電毛細管長度約 1520cm, He-Ne 激光器的半反射鏡的半反射鏡的反射率 98.599.5。 諧振腔的軸線和放電毛細管軸偏離不超過 0.1mm 。He-Ne 激光器的外界激勵能源與固體激光器不相同,不能使用光泵激勵,而采 用電激勵的方法。把工作物質(zhì)封入放電管中,供以直流

23、、交流及射頻等方式激勵氣體放 電。通過放電過程把能量傳給工作物質(zhì),促使氣體中的離子、原子被激發(fā)。醫(yī)療中使用 的激勵方法主要是以直流電激發(fā)出光。大體結(jié)構(gòu)主要有高壓變壓器、整流與濾波回路、 限流與穩(wěn)流回路組成。（三）分子氣體激光器分子氣體激光器與原子氣體激光器不一樣, 分子氣體由碳和氧組成 （最常用） , 其原則上是能夠?qū)崿F(xiàn)高效率與高功率輸出。 分子氣體激光器通過分子能級間的躍遷產(chǎn)生 激發(fā)振蕩的一和種激光器, 分子能級躍遷形式與原子能級躍遷相同。只不過是工作物質(zhì) 為分子與原子的差別。分子氣體激光器中主要使用的為 CO2 激光器,下面將詳述。CO2激光器CO2激光器效率高，不造成工作介質(zhì)損害，發(fā)射出

24、 10.6 口m波長的不可見激光,是一種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分封閉式及循環(huán)式,按 激勵方式分電激勵,化學激勵,熱激勵,光激勵與核激勵等。在醫(yī)療中使用的CO2 激光器幾乎百分之百是電激勵。CO2 激光器的工作原理： 與其它分子激光器一樣, CO2 激光器工作原理其受激發(fā)射過程也較復(fù)雜。分子有三種不同的運動,即分子里電子的運動,其運動決定了分子的電子能態(tài)；二是分子里的原子振動，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振 動一一并決定于分子的振動能態(tài)；三是分子轉(zhuǎn)動，即分子為一整體在空間連續(xù)地旋轉(zhuǎn)， 分子的這種運動決定了分子的轉(zhuǎn)動能態(tài)。分子運動極其復(fù)雜，因而能級也很復(fù)雜。C02分子為線

25、性對稱分子，兩個氧原子分別在碳原子的兩側(cè)，所表示的是原子 的平衡位置。分子里的各原子始終運動著，要繞其平衡位置不停地振動。根據(jù)分子振動 理論，CO2有三種不同的振動方式：二個氧原子沿分子軸，向相反方向振動，即兩 個氧在振動中同時達到振動的最大值和平衡值，而此時分子中的碳原子靜止不動，因而其振動被叫做對稱振動。兩個氧原子在垂直于分子軸的方向振動，且振動方向相同， 而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動。由于三個原子的振動是同步的，又稱為變形振動。三個原子沿對稱軸振動，其中碳原子的振動方向與兩個氧原子相反，又叫反 對稱振動能。在這三種不同的振動方式中，確定了有不同組別的能級。CO2激光的激發(fā)過程：

26、CO2激光器中，主要的工作物質(zhì)由 CO2，氮氣，氦氣 三種氣體組成。其中CO2是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體。加入其 中的氦，可以加速010能級熱弛預(yù)過程，因此有利于激光能級100及020的抽空。氮氣加入主要在CO2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級粒子數(shù)的積累與大功 率高效率的激光輸出起到強有力的作用。CO2激光器的激發(fā)條件：放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時，放電管中的混合氣體內(nèi)的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時受到 激發(fā)的氮分子便和 CO2分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給 CO2分子，CO2 分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數(shù)

27、反轉(zhuǎn)發(fā)出激光。結(jié)構(gòu)：激光管：是激光機中最關(guān)鍵的部件。常用硬質(zhì)玻璃制成，一般采用層套筒式結(jié)構(gòu)。最里面一層是放電管，第 2層為水冷套管，最外一層為儲氣管。二氧化碳激光器放電管直徑比 He-Ne激光管粗。放電管的粗細一般來說對輸出功率沒有影響, 主要考慮到光斑大小所引起的衍射效應(yīng)，應(yīng)根據(jù)管長而定。管長的粗一點，管短的細一 點。放電管長度與輸出功率成正比。在一定的長度范圍內(nèi)，每米放電管長度輸出的功率 隨總長度而增加。加水冷套的目的是冷卻工作氣體，使輸出功率穩(wěn)定。放電管在兩端都與儲氣管連接，即儲氣管的一端有一小孔與放電管相通，另一端經(jīng)過螺旋形回氣管與放電管相通，這樣就可使氣體在放電管中與儲氣管中循環(huán)流動

28、，放電管中的氣體隨時交換。賢電空問出貳口C02激光器結(jié)構(gòu)圖光學諧振腔：CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學玻璃或光學石英，經(jīng)加工成大曲率半徑的凹面鏡，鏡面上鍍有高反射率的金屬膜一一鍍金膜，在波長10.6 口 m處的反射率達98.8 %，且化學性質(zhì)穩(wěn)定。二氧化碳發(fā)出的光為紅外光。所以 反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料，因為普通光學玻璃對紅外光不透。就要求在全反射鏡 的中心開一小孔。再密圭寸上一塊能透過10.6 口 m激光的紅外材料，以圭寸閉氣體。這就使諧振腔內(nèi)激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光。電源及泵浦：封閉式CO2激光器的放電電流較小， 采用冷電極，陰極用鉬片或 鎳片做成圓

29、筒狀。3040mA的工作電流，陰極圓筒的面積 500cm2，不致鏡片污染， 在陰極與鏡片之間加一光欄。泵浦采用連續(xù)直流電源激發(fā)。 激勵CO2激光器直流電源原理，直流電壓為把市 內(nèi)的交流電壓，用變壓器提升，經(jīng)高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管上。通俗解釋：A_A白熾燈、日光燈、高壓脈沖氙燈、激光燈的發(fā)光現(xiàn)象，都是光源系統(tǒng)中原子（或分子、離子）內(nèi)部能量變化的結(jié)果。原子的能級結(jié)構(gòu)是發(fā)光現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)，激光的產(chǎn)生，不外乎通過以下幾個過程和步驟：（一）激發(fā)一般原子系統(tǒng)中，絕大多數(shù)的原子不是處于低能級的基態(tài)，而是處于高能級的激發(fā)狀態(tài)的原子數(shù)目，相比之下是非常少的。例如：在室溫（2728 C）的情況下，

30、紅寶石晶體中處于基態(tài)的鉻離子數(shù)目為激發(fā)態(tài)的 1030 倍，因此，紅寶石鉻離子基本上是處于 基態(tài)的。 如果要使這些處于基態(tài)的粒子產(chǎn)生輻射作用，首先必須把這些基態(tài)上的粒子激 發(fā)到高能級去，從低能級到高級去的這一過程稱為激發(fā)或抽運。這個吸收能量的過程， 稱做光的受激吸收（圖 4-26-4 ）。激發(fā)的方法很多，主要是給基態(tài)粒子外加一定能量， 例如光照、電子碰撞、分解或化合以及加熱等?；鶓B(tài)粒子吸收能量后即被激發(fā)，例如紅 寶石激發(fā)器就是脈沖氙燈照射的方法施加光能,使鉻離子從基態(tài)激發(fā)到高能級的激發(fā)態(tài)上。又如氦氖激光器通過電子與氦原子碰撞，使氦原子獲得能量。氦原子通過碰撞又 將能量傳給氖原子， 氖原子獲得能量

31、后從基態(tài)激發(fā)到高能級去。 化學激發(fā)器是用分解或 化合的方法作為激發(fā)能源。由于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，在相同的外界條件下，原子從基 態(tài)被激發(fā)到各個高能級去的可能性是不一致的。 通常把原子從基態(tài)激發(fā)到某一能級上去 的可能性，叫做該能級的 “激發(fā)機率 ”。各能級的激發(fā)機率是不同的，有的很大，有的很 小，這種機率取決于物質(zhì)自身的性質(zhì)。（二）輻射 原子（或分子、離子）總是力圖使自己的能量狀態(tài)處于基態(tài)上，被激發(fā)到高能級后的粒 子，力圖回到基態(tài)上去，與此同時放出激發(fā)時所吸收的能量?；鶓B(tài)是粒子能量最平衡最 穩(wěn)定的狀態(tài)，從高級回到低能級去的過程稱為躍遷，躍遷時釋放的能量即輻射。躍遷的 形式有以下幾種：1、自發(fā)躍遷不

32、受外界能量的影響， 只是由于原子內(nèi)部運動規(guī)律所導(dǎo)致的躍遷稱為自發(fā)躍遷。這種躍 遷釋放能量的形式又有兩種：一種是變?yōu)闊徇\動釋放能量，叫做無輻射躍遷；另一種是 以光的形式將能量輻射出來，叫做自發(fā)輻射躍遷。自發(fā)輻射出來的光頻率Y,由發(fā)生躍遷的兩能級間之能量差所決定。 普通光源如白熾燈、日光燈、高壓水銀燈、氙燈等都 是通過自發(fā)躍遷輻射產(chǎn)生光，這種光是非相干光。2、受激躍遷由于入射光子的感應(yīng)或激勵， 導(dǎo)致激發(fā)原子從高能級躍遷到低能級去， 這個過程稱為受 激躍遷或感應(yīng)躍遷。這種躍遷輻射叫做 “受激輻射 ”。受激輻射出來的光子與入射光子有 著同樣的特征，如頻率、相位、振輻以及傳播方向等完全一樣。這種相同性就

33、決定了受 激輻射光的相干性。入射一個光子引起一個激發(fā)原子受激躍遷，在躍遷過程中，輻射出 兩個同樣的光子， 這兩個同樣的光子又去激勵其它激發(fā)原子發(fā)生受激躍遷， 因而又獲得 4 個同樣的光子。如此反應(yīng)下去，在很短的時間內(nèi)，輻射出來大量同模樣、同性能的光 子，這個過程稱為 “雪崩 ”。雪崩就是受激輻射光的放大過程。受激輻射光是相干光，相 干光有疊加效應(yīng)，因此合成光的振幅加大，表現(xiàn)為光的高亮度性。激發(fā)壽命與躍遷機率取決于物質(zhì)種類的不同。 處于基態(tài)的原子可以長期的存在下去， 但原子激發(fā)到高能級的激發(fā)態(tài)上去以后，它會很快地并且自發(fā)地躍遷回到低能級去。在 高能級上滯留的平均時間，稱為原子在該能級上的平均壽命

34、”，通常以符號“表示。一般說，原子處于激發(fā)態(tài)的時間是非常短的，約為108 秒。激發(fā)系統(tǒng)在1秒內(nèi)躍遷回基態(tài)的原子數(shù)目稱為躍遷機率”，通常以“A表示。大多數(shù)同種原子的平均躍遷機率都有固定的數(shù)值。躍遷率A與平均壽命t的關(guān)系：A = 1/ T由于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了各能級的平均壽命長短不等。例如紅寶石中的鉻離子E3 的壽命非常短，只有 109 秒，而 E2 的壽命比較長，約為數(shù)秒。壽命較長的能級稱 為“亞穩(wěn)態(tài)”。具有亞穩(wěn)態(tài)原子、離子或分子的物質(zhì)，是產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，因亞穩(wěn)態(tài) 能更好地為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。（三）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光的形成 當光子通過某一介質(zhì)時，它可能被原子（或離子、分子）所吸收，

35、從而使原子從低能級 激發(fā)到高能級去，這個過程稱為 “共振吸收 ”或稱光的受激吸收。另外，入射光也能引起 處于高能級的原子發(fā)生受激輻射。在一般情況下， 處于低能級的原子數(shù)目遠遠超過處于高能級的原子數(shù)目。要想得到 受激輻射，就必須先使原子（或離子、分子）激發(fā)到高能級去。人為地施加一定能量， 使高能級上具有較多的粒子數(shù)分布，這種狀態(tài)稱為 “粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ”。產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物 質(zhì)就稱為活性物質(zhì)。如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，下面以紅寶石激光器為例加以說明。紅寶石激光器的激發(fā)是通過氙燈輸送能量。E1、E2、E3 是鉻離子相對應(yīng)的三個能級，使鉻離子從基態(tài) E1 激發(fā)到共振吸收帶 E3 上去，形成了 E3 對 E2

36、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（圖 4-26-7 （ 1 ） 。但是由于 E3 的壽命很短（即自發(fā)躍遷機率很大），因此鉻離子的能級 就很快地并且以無輻射躍遷的形式落入 E2 中，同時放出熱能。 E2 是壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)， 躍遷機率較小，因此E2就積聚了大量的鉻離子。 當氙燈光足夠時，則E2上的粒子（鉻 離子）數(shù)就大為增加，此時 E2 對 E1 來說就出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（圖 4-26-7 （2）。若 用E2與E1間躍遷相對應(yīng)頻率尸（E2-E1 ） /h的光子引發(fā)時，上述活性系統(tǒng)就可產(chǎn)生 E2 對 E1 的受激輻射。 受激輻射可以使光放大， 這種放大是由于該系統(tǒng)受激發(fā)時從外部 吸收的能量和引發(fā)的能量一舉放出的結(jié)果。處于

37、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的活性系統(tǒng)，可以產(chǎn)生 “雪崩 ”。雪崩過程可以使光再次放大。該過 程的繼續(xù)進行，必須通過一定的裝置，這種裝置就是光學共振腔。從共振腔中持續(xù)發(fā)出 來的、特征完全相同的大量光子就是激光。（四）光學共振腔 激光所以具有良好的單色性、 方向性以及較高的亮度， 主要是取決于光學共振腔的作用。 于工作物質(zhì)的兩端加上兩快相互平行的反光鏡，其中一塊是全反射鏡， 另一塊是半反射 鏡，這就是光學共振腔的主要結(jié)構(gòu)。在光學共振腔中的活性物質(zhì)， 受到外加能量的激勵而產(chǎn)生的光子可以射向各個方向，但 其中傳播方向與反射鏡垂直者，則在介質(zhì)中來回反射振蕩。在反射振蕩的過程中，引發(fā) 介質(zhì)中其它活性物質(zhì)點受激輻射，因

38、此這種輻射的強度越來越大。由于受激輻射反復(fù)振 蕩產(chǎn)生的大量光子都具有相同的特征和一致的傳播方向， 因此決定了激光具有良好的單 色性和準直的定向性。 又由于光子來回不斷地進行振蕩， 輻射強度借以得到極度的增大， 因此又保證了激光的高度性。激光入門知識一、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 81 09秒），在沒有外界作用下會自發(fā)地向低能級（

39、 E 1 ）躍遷，躍遷時 將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為h u 二E2E1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，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 N %exp(-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)

40、密度比為N2/N1%exp-(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N2N1。 例如，已知氫原子基態(tài)能量為 E1 = 13.6eV，第一激發(fā)態(tài)能量為E2=- 3.4eV，在 20 C時，kT 0.025eV,則N2/N1 xexp ( 400 ) 0可見，在20C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

41、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 ,但這不嚴格， 因這個式子還是在把電子運動看作軌道運動基礎(chǔ)上得到的。 嚴格的能量量子化以及角動量量子化都應(yīng)該有量子力學理論來推導(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)生在丨(角動 量量子數(shù)）量子數(shù)相差 ±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

42、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，當一個外來光子所帶的能量hu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

43、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 有當處在高能級地原子數(shù)目比處在低能級的還多時， 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

44、數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。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 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、化學激勵等。各種激

45、勵方式被形象化地 稱為泵浦或抽運。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 激輻射強度很弱， 無法實際應(yīng)用。 于是人們就想到了用光學諧振腔進行 放大。所謂光學諧振腔，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，造成連鎖反應(yīng)， 雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。 下面以紅寶石激光器為例

46、來說明激光的形成。 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 0.05% 的氧化鉻。 由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍光， 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0.8cm 、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)出的強光激發(fā)鉻 離子到達激發(fā)態(tài)E3，被抽運到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 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 694.3nm 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