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)光一一受激吸收和自發(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10-8109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hu=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

2、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Nexp（-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«N1O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20c日kT0.025eV,貝UN2/N1“exp（400）弋0可

3、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)

4、該有量子力學理論來推導。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年在推導普朗克的黑體輻射公式時，第一個提出來的。他從理論上預言了原子發(fā)生受激輻射的可能性，這是激

5、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

6、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，如銘離子在高能級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，除銘離子外，還有一些

7、亞穩(wěn)態(tài)能級，主要有鉉離子、覆原子、二氧化碳分子、氟離子、鼠離子等。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。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)用的有摻銘剛玉、摻鉉玻

8、璃、摻鉉億鋁石榴石等等。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CO2H體）及原子氣體（如He-Ne原子氣體）。如工作物質(zhì)為半導體的物質(zhì)，采用注入大電流方法激勵發(fā)光，常見的有碎化錢，這類注入大電流的方法被叫做注入式激勵法。止匕外，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

9、）轉(zhuǎn)換而來。、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?，F(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。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到

10、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。按組成諧振腔的兩塊反射鏡的形狀以及它們的相對位置，可將光學諧振腔區(qū)分為：平行平面腔，平凹腔，對稱

11、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

12、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。只有沿著軸向運動的光子會在諧振腔的兩端反射鏡之間來回運動而不逸出腔外。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。這種過程在諧振腔軸線方向重復出現(xiàn)，從而使軸向行進的光子數(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

13、質(zhì)是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價銘離子的三氧化二鋁晶體。實際是摻入質(zhì)量比約為0.05%的氧化銘。由于銘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，用高壓氤燈作“泵浦”，利用氤燈所發(fā)出的強光激發(fā)銘離子到達激發(fā)態(tài)E3,被抽運到E3上的電子很快（108s）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

14、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。由脈沖氤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。注意到上述銘離子從激發(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，所以要達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，要有相當強的激勵才行。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

15、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，常用的還有億鋁石榴石（YAG晶體中摻入三價鉉離子的激光器，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100W以上，脈沖峰值功率可達109W2、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

16、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)檎魵猓眠@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

17、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、半導體激光器半導體激光器是以半導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。常用材料有碎化錢（GaAS、硫化鎘（Cd0、磷化錮（InP）、硫化鋅（ZnS）等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導體激光器件，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。在這個理論的引導下，1970年雙異質(zhì)結(jié)的半導體激光器終于實現(xiàn)了