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(jiàn)光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等地發(fā)光）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 子就會(huì)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。處在高能級(jí)（ E2）的電子壽命很短 （一般為 108109 秒），在沒(méi)有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí) （E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為h=E2-E1這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過(guò)程完全是一種隨機(jī) 過(guò)程，各發(fā)光原子的發(fā)光過(guò)程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在 發(fā)射方向上是無(wú)規(guī)則的射向四面八方，另

2、外未位相、偏振狀態(tài)也各不 相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的， 而有一個(gè)范圍。在通常熱平衡條件下，處于高能級(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 Nexp（-E/kT），這是著名的 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/N1exp-(E2-E1)/kT式中 k 為波耳茲曼常量， T 為絕對(duì)溫度。因?yàn)?E2>E1，所以 N2 N1。例如，已知?dú)湓踊鶓B(tài)能量為 E1，第一激發(fā)態(tài)能量為 E2=， 在 20時(shí)， kT，則N2/N1exp（ 40

3、0） 0可見(jiàn)，在 20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。2、受激輻射和光的放大由量子理論知識(shí)知道，一個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)電子的一個(gè)能量狀態(tài)。電 子能量由主量子數(shù) n（n=1,2,）決定。但是實(shí)際描寫(xiě)原子中電子運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)，除能量外，還有軌道角動(dòng)量 L 和自旋角動(dòng)量 s，它們都是量子化 的，由相應(yīng)的量子數(shù)來(lái)描述。對(duì)軌道角動(dòng)量，波爾曾給出了量子化公 式 Lnnh，但這不嚴(yán)格， 因這個(gè)式子還是在把電子運(yùn)動(dòng)看作軌道運(yùn)動(dòng) 基礎(chǔ)上得到

4、的。 嚴(yán)格的能量量子化以及角動(dòng)量量子化都應(yīng)該有量子力 學(xué)理論來(lái)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(shí)只能發(fā)生在 l（角動(dòng)量量子數(shù)）量子數(shù)相差± 1 的兩個(gè)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(jí)，一旦電子被激發(fā)到這種能級(jí)上時(shí)，由于 不滿足躍遷的選擇規(guī)則，可使它在這種能級(jí)上的壽命很長(zhǎng)，不易發(fā)生 自發(fā)躍遷到低能級(jí)上。這種能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。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(jí)，并放出光子。這種過(guò)程是 被“激”出來(lái)的，故稱受激輻射。受激輻射的概念世愛(ài)因斯坦于 1917 年在推導(dǎo)普朗克的黑體

5、輻 射公式時(shí)，第一個(gè)提出來(lái)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(guò)程大致如下： 原子開(kāi)始處于高能級(jí) E2，當(dāng)一個(gè)外 來(lái)光子所帶的能量 h正好為某一對(duì)能級(jí)之差 E2-E1則, 這原子可以在 此外來(lái)光子的誘發(fā)下從高能級(jí) E2 向低能級(jí) E1 躍遷。這種受激輻射的 光子有顯著的特點(diǎn)，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(gè)光子，就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子。這意味著 原來(lái)光信號(hào)被放大這種在受激過(guò)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(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能

6、引起受激吸 收，所以只有當(dāng)處在高能級(jí)地原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激 輻射躍遷才能超過(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。粒子數(shù)如何實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布，涉及兩個(gè)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(gè)能級(jí)間達(dá)到非熱平衡狀態(tài)，而實(shí)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 1

7、0-8 秒。有一部分壽命相對(duì)較長(zhǎng)些，如鉻離子在高能級(jí) E2 上壽命只不過(guò)是幾個(gè)毫秒。壽命較長(zhǎng)的粒子數(shù)能級(jí)叫做亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)， 除鉻離子外，還有一些亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，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(jí)，在這一時(shí)間內(nèi)就可以 實(shí)現(xiàn)某一能級(jí)與亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 以達(dá)到對(duì)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(duì)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)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(jí)的粒子數(shù)， 總是大于處在高能 級(jí)上的粒子數(shù)，當(dāng)要實(shí)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(jí)上的粒子反轉(zhuǎn)到高能

8、級(jí)上，這種過(guò)程被叫做 激勵(lì)，或被稱為泵浦，尤如把低處的水抽到高處一樣。對(duì)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(lì)。這類(lèi)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(duì)氣體形的工作物質(zhì)， 常應(yīng)用放電的辦法， 促進(jìn)特定儲(chǔ)存氣體物質(zhì)按一定的規(guī)律經(jīng)放電而激 勵(lì)，常應(yīng)用的工作氣體物質(zhì)，有分子氣體（如 CO2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(lì)發(fā)光，常見(jiàn)的有砷化鎵，這類(lèi)注入大電流的方法被叫做注 入式激勵(lì)法。此外，還可應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)方法（化學(xué)激勵(lì)法）、超音速 絕熱膨脹法（熱激勵(lì)），電子束甚至用核反應(yīng)中生成的粒子進(jìn)行轟擊

9、（電子束泵浦、核泵浦）等方法，都能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。從能量 角度看，泵浦過(guò)程就是外界提供能量給粒子體系的過(guò)程。激光器中激 光能量的來(lái)源， 是由激勵(lì)裝置， 其它形式的能量 （諸如光、 電、化學(xué)、 熱能等）轉(zhuǎn)換而來(lái)。二、激光器的結(jié)構(gòu)激光器一般包括三個(gè)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(shí)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(jí)的存在， 對(duì)實(shí)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(zhǎng)包括從真空紫外道遠(yuǎn)紅外， 非常廣泛。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

10、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，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光 源來(lái)照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(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(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)法實(shí)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(shí)際是在激光器兩端，面對(duì)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(guò)這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的 光

11、，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(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，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(duì)位置， 可將光 學(xué)諧振腔區(qū)分為：平行平面腔，平凹腔，對(duì)稱凹面腔，凸面腔等。平 凹腔中如果凹面鏡的焦點(diǎn)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(duì)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(diǎn)都位于腔的中點(diǎn)，便稱為 對(duì)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(zhǎng)時(shí)間而不會(huì)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

12、都屬穩(wěn)定腔。用兩塊凸面鏡組成的 諧振腔為不穩(wěn)定腔。 平凹腔中如腔長(zhǎng)太長(zhǎng)， 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(huì)逸出腔 外，故也為不穩(wěn)定腔。對(duì)稱凹面腔中，如腔長(zhǎng)太長(zhǎng)，使兩球面球心分 別落在腔中心點(diǎn)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(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光工作物質(zhì)。它們受到激勵(lì)后，許多原子將躍 遷到激發(fā)態(tài)。但經(jīng)過(guò)激發(fā)態(tài)壽命時(shí)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(huì)很快逸出腔外。只有沿著軸向運(yùn)動(dòng)的光 子會(huì)在諧振腔的兩端反射鏡之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)而不逸出腔外。 這些光子成 為引起受激發(fā)射的外界光場(chǎng)。 促使已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)產(chǎn)生

13、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(guò) 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(duì)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(jià)鉻離子的三氧化二鋁晶體。實(shí)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(zhǎng)約 8cm 的圓棒。 兩端面是一對(duì)平行平面鏡， 一端鍍上全反射膜， 一端有 10%的透射率， 可讓激

14、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(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(guò)無(wú)輻射躍遷到 E2。E2是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)， E2 到 E1 的自發(fā)輻射幾 率很小，壽命長(zhǎng)達(dá) 10-3s，即允許粒子停留較長(zhǎng)時(shí)間。于是，粒子就 在 E2上積聚起來(lái)， 實(shí)現(xiàn) E2和 E1兩能級(jí)上的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 從 E2到 E1 受激發(fā)射的波長(zhǎng)是的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一 個(gè)光脈沖的持續(xù)時(shí)間不到 1ms，每個(gè)光脈沖能量在 10J 以上；也就是 說(shuō)，每個(gè)脈沖激光的功率可超過(guò) 10kW 的數(shù)量級(jí)。注意到上述鉻離子 從激發(fā)到發(fā)出激光的過(guò)程中涉及到三條

15、能級(jí)，故稱為三能級(jí)系統(tǒng)。由 于在三能級(jí)系統(tǒng)中，下能級(jí) E1 是基態(tài)，通常情況下積聚大量原子， 所以要達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，要有相當(dāng)強(qiáng)的激勵(lì)才行。三、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

16、還 有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價(jià)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(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)。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(guò)加熱使其變?yōu)檎魵猓眠@類(lèi)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(zhǎng)器件的工作壽命及提高輸

17、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(lì)發(fā)光，即用直流，交流及高頻電 源進(jìn)行氣體放電，兩端放電管的電壓增壓時(shí)可加速電子，帶有一定能 量，在工作物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的電子與粒子（氣體的原子或分子）碰撞時(shí)將 自身的能量轉(zhuǎn)移給對(duì)方， 使分子或原子被激發(fā)到某一高能級(jí)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(duì)簡(jiǎn)單得多，造價(jià)較低，操作簡(jiǎn)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

18、輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固。 常用材料有砷化鎵 （ GaAs）、 硫化鎘（ CdS）、磷化銦 （InP）、硫化鋅 （ZnS）等。激勵(lì)方式有電注入、 電子束激勵(lì)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(shí)多 為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。這種激光器 的特點(diǎn)是體積小，能耗低，功率低（因此對(duì)人眼相對(duì)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(diǎn)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(lái)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(jì)。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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)