激光產(chǎn)生的原理

激光產(chǎn)生的原理第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日由于吸收過程是在外來光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，所以稱之為“受激吸收”。受激吸收的特點(diǎn)是：必須有外來光子(或其他方式的能量)“刺激”，而且這個(gè)外來光子的能量必須是：hν=EN－E0(N=1，2，3……)式中E0——粒子吸收外界能量前所處的能級(jí)，EN——吸收后所處的能級(jí),h=6.63×10-34Js第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日2、自發(fā)輻射過程被激發(fā)到高能級(jí)上的粒子是不穩(wěn)定的，它們在高能級(jí)上只能停留一個(gè)極為短暫的時(shí)間，約為一億分之一秒，然后立即向低能級(jí)躍遷。這個(gè)過程是在沒有外界作用的情況下完全自發(fā)地進(jìn)行的，所以稱為“自發(fā)躍遷”。粒子在自發(fā)躍遷過程中，要把原先吸收的能量釋放出來，所釋放的能量數(shù)值為E=EN—E0。釋放能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，傳給其他粒子，這種躍遷叫做“無輻射躍遷”，當(dāng)然就不會(huì)有光子產(chǎn)生。第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日另一種是以光的形式釋放能量(叫做自發(fā)輻射躍遷)，即向外輻射一個(gè)光子，于是就產(chǎn)生了光。自發(fā)輻射過程放出的光子頻率，由躍遷前后兩個(gè)能級(jí)之間的能量差來決定，即：

第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日可見，兩個(gè)能級(jí)之間的能量差越大，自發(fā)輻射過程所放出的光子頻率就越高。如同彈琴，如果用力拉緊琴弦，琴發(fā)出的音調(diào)頻率就高，反之則低。自發(fā)輻射光極為常見，普通光源的發(fā)光就包含受激吸收與自發(fā)輻射過程。前一過程是粒子由于吸收外界能量而被激發(fā)至高能態(tài)；后一過程是高能態(tài)粒子自發(fā)地躍遷回低能態(tài)并同時(shí)輻射光子。第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日當(dāng)外界不斷地提供能量時(shí)，粒子就會(huì)不斷地由受激吸收到自發(fā)輻射，再受激吸收，再自發(fā)輻射……如此循環(huán)不止地進(jìn)行下去。每循環(huán)一次，放出一個(gè)光子，光就這樣產(chǎn)生了。以電燈為例：接通電源后，電流流經(jīng)燈泡中的發(fā)光物質(zhì)——鎢絲，鎢絲被灼熱，使鎢原子躍遷至高能態(tài)，然后又自發(fā)躍遷回低能態(tài)并同時(shí)輻射出光子，于是燈泡就亮了。第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日自發(fā)輻射的特點(diǎn)是：由于物質(zhì)(發(fā)光體)中每個(gè)粒子都獨(dú)立地被激發(fā)到高能態(tài)和躍遷回低能態(tài)，彼此間沒有任何聯(lián)系，所以各個(gè)粒子在自發(fā)輻射過程中產(chǎn)生的光子沒有統(tǒng)一的步調(diào)，不僅輻射光子的時(shí)間有先有后，波長有長有短，而且傳播的方向也不一致。因?yàn)樽园l(fā)輻射光是由這樣許許多多雜亂無章的光子組成的，所以我們通常見到的光，是包含許多種波長成份(即多種顏色)、射向四面八方的雜散光。陽光、燈光、火光等普通光都屬于自發(fā)輻射光。第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日二、

受激輻射“激”出激光粒子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，并非只能以自發(fā)方式進(jìn)行，處于高能態(tài)的粒子可以在沒有外界因素的影響下自發(fā)地向低能態(tài)躍遷，也可以在外界因素的誘發(fā)和刺激下向低能態(tài)躍遷，而且在躍遷中同樣也向外輻射光子。由于后一種過程是被“激”出來的，所以就叫做“受激輻射”過程。第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日受激輻射過程的特點(diǎn)是：必須有外來光子的“刺激”，而且只有當(dāng)外來光子的頻率恰恰符合下式：

時(shí)處于高能級(jí)EN的粒子才會(huì)在這個(gè)外來光子的刺激下向低能級(jí)E0躍遷，并同時(shí)輻射出一個(gè)頻率、傳播方向、振動(dòng)方向均與外來光子完全相同的光子。第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日簡單地說，輸入是一個(gè)外來光子，而輸出的則是性質(zhì)與外來光子一模一樣的兩個(gè)光子，因?yàn)樵谳敵龅膬蓚€(gè)光子中，一個(gè)就是外來光子本身，而另一個(gè)則是在受激輻射過程中釋放出來的，即是被外來光子“激”出來的。一個(gè)光子激發(fā)一個(gè)粒子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)完全相同的光子，這就是光的“放大”。這兩個(gè)光子再去激發(fā)兩個(gè)粒子產(chǎn)生受激輻射，就可以得到完全相同的4個(gè)光子，4、8、16……如此鏈鎖反應(yīng)，完全相同的光子數(shù)目便會(huì)越來越多，可見受激輻射過程也就是光放大的過程。在受激輻射過程中產(chǎn)生并被放大了的光，便是激光。第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日激光與普通光既有相同之處，又有不同處。相同的地方是：兩種光在本質(zhì)上沒有區(qū)別，既是電磁波、又是粒子流，具有波粒二象性。不同之處在于：普通光是一種雜亂無章的混合光，而激光則是頻率、方向位相都極其一致的“純”光。根據(jù)光學(xué)理論，兩束光相干的條件是同頻率、同振動(dòng)方向、位相相同或位相差恒定。顯然，受激輻射所產(chǎn)生的激光是相干光，而普通光是非相干光。第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日三、思考與練習(xí)

1、物質(zhì)的發(fā)光需要經(jīng)過哪兩個(gè)過程？1、受激輻射過程中外來光子的頻率應(yīng)滿足什么關(guān)系式？什么叫做光的“放大”？激光與普通光有什么相同之處和不同之處？第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日第二章

激光器的三大結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生激光的系統(tǒng)，我們稱之為激光器。前面的介紹已經(jīng)告訴我們，自發(fā)輻射顯然是形不成激光的，而受激輻射也只是激光產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)。要激勵(lì)出激光來，還必須采取手段創(chuàng)造必要的物質(zhì)條件。第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日一、激勵(lì)源——粒子搬遷的動(dòng)力1、粒子數(shù)的正常分布激光是在受激輻射中產(chǎn)生的，受激輻射要求粒子處在高能態(tài)。可是，在通常情況下，物質(zhì)中絕大多數(shù)粒子處于穩(wěn)定狀態(tài)(穩(wěn)態(tài))，因?yàn)樵谡崞胶獾臈l件下，粒子有自發(fā)從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷的趨勢，這樣，低能級(jí)上的電子數(shù)要比高能級(jí)上的電子數(shù)多得多。第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日能態(tài)越高，粒子數(shù)目就越少，此時(shí)粒子分布規(guī)律好像金字塔，下面大，上面尖，越往高處越少。這就是說；處于低能級(jí)上的粒子數(shù)在熱平衡的情況下總是多于高能級(jí)上的粒子數(shù)，因而受激吸收總占優(yōu)勢，這就稱之為“粒子數(shù)正常分布”。第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日在這種情況下，由于在實(shí)驗(yàn)中很難觀察到個(gè)別粒子究竟是受激吸收還是受激輻射，實(shí)際只能觀察到兩種過程的宏觀結(jié)果。因此，只能看到占優(yōu)勢的粒子體系的吸收現(xiàn)象，而受激輻射則觀察不到。普通光源，如電燈，高壓汞燈等都是如此。也就是說，在“粒子數(shù)正常分布”的情況下，無論你怎樣“激”，也出不了激光。第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)為了產(chǎn)生受激輻射，就必須變革粒子的常規(guī)分布狀態(tài)，來個(gè)“粒子大搬家”，將處在低能態(tài)的粒子“搬”到高能態(tài)上去，使高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)。由于它同正常粒子數(shù)分布相反，所以叫粒子數(shù)反分布。此狀態(tài)激光理論中有個(gè)統(tǒng)一叫法——“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”或“集居數(shù)反轉(zhuǎn)”，處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的粒子體系是不穩(wěn)定的，如果這時(shí)有合適的誘發(fā)光子刺激它，則受激輻射就會(huì)發(fā)生而產(chǎn)生激光?？梢姡瑢?shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)便是實(shí)現(xiàn)激光產(chǎn)生的先決條件。第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日3、“搬運(yùn)”粒子的工具——光泵要想把處于低能態(tài)的粒子送到高能態(tài)去，就得有外力借助工具來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過程類似于把水位很低的河水或井水抽運(yùn)到水塔上的蓄水池里，必須要有足夠功率的水泵作功才成。同理，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，首先必須消耗一定的能量把大量粒子從低能級(jí)“搬運(yùn)”到高能級(jí)，這種過程在激光理論上叫做泵浦或激勵(lì)。由于其作用原理和水泵抽水相類似，所以把能使大量的粒子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)的激勵(lì)裝置通稱之為“光泵”。第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日4、閾值和激勵(lì)方式“光泵”只是在解釋粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)借用的一種形象的說法。實(shí)際上粒子都是甘居低能態(tài)的，而且很頑固，并不是象水一樣很容易地就被泵抽運(yùn)走了。即使費(fèi)了很大勁把一部分抽運(yùn)到了高能態(tài)，但它們很快就又自發(fā)地躍回低能態(tài)了。怎么辦呢，那就需要加大能量不停頓地來轟擊。就是說，激勵(lì)不僅要快，而且要強(qiáng)有力。激勵(lì)作用總是通過消耗一定的能量來實(shí)現(xiàn)的，產(chǎn)生受激輻射所需要的最小激勵(lì)能量定義為激光器的閾值(閾，即門檻的意思)。閾值是描述激光器整體性能的一個(gè)重要參數(shù)。第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日二、工作介質(zhì)——激光產(chǎn)生的內(nèi)因在大干世界里，各種各樣的物質(zhì)都是由分子、原子、電子等微觀粒子組成的，如果有了強(qiáng)大的激勵(lì)是不是都能在物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光呢?不是的，激勵(lì)只是一個(gè)外部條件，激光的產(chǎn)生還取決于合適的工作物質(zhì)，也稱之為激光器的工作介質(zhì)，這才是激光產(chǎn)生的內(nèi)因。第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日前面我們所講到的都是以二能級(jí)系統(tǒng)為例來討論的，也就是說工作物質(zhì)只有高、低兩個(gè)能級(jí)。實(shí)際上目前所有已實(shí)現(xiàn)的激光輻射都是三能級(jí)或四能級(jí)系統(tǒng)，下圖是紅寶石激光器的鉻離子(Cr3+)的簡化能級(jí)圖，這是一個(gè)典型的三能級(jí)系統(tǒng)。圖中所示的E1,E2,E3中，E2是亞穩(wěn)態(tài)級(jí)。第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日外界激發(fā)作用將會(huì)把粒子從E1抽運(yùn)到E3，被抽運(yùn)到E3的粒子很快通過無輻射躍遷轉(zhuǎn)移到E2，因?yàn)镋3的壽命只有10-9秒，即10億分之一秒，不允許粒子久留，所以此過程很快。但E2的亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長，約為10-3秒，即千分之一秒，允許粒子久留。隨著E1上的粒子不斷地被抽運(yùn)到E3，又很快轉(zhuǎn)移到E2，既然E2允許粒子久留，那么從E2到E1的自發(fā)輻射躍遷幾率就很小，于是粒子就在E2上積聚起來，從而實(shí)現(xiàn)E2對E1兩能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日這個(gè)系統(tǒng)便能對誘發(fā)光子能量hV=E2—E1的光進(jìn)行光放大。顯然，E2能級(jí)好象一個(gè)水塔上的蓄水池，能夠貯存大量的粒子，只有亞穩(wěn)態(tài)級(jí)才具有這種能力，但并不是所有的發(fā)光物質(zhì)都具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，這就是有些物質(zhì)可以“激”出激光來，而有些物質(zhì)卻“激”不出來的道理。所以，具備亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)是對產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)的起碼要求。第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日三、諧振腔——激光的振蕩放大器合適的工作物質(zhì)有了，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激勵(lì)源有了，這下子該“激”出激光了吧!還不行，因?yàn)槿藗冊趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這樣雖然可以產(chǎn)生受激輻射，但非常微弱，根本形不成可供人們使用的激光。這很自然的使人們想到了采用放大的辦法來解決這個(gè)問題，于是出現(xiàn)了光學(xué)諧振腔。第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日于是出現(xiàn)了光學(xué)諧振腔。即利用兩個(gè)面對面的反射鏡，使放大了的光在鏡間來回被反射，反復(fù)通過鏡間的介質(zhì)不斷再放大，即反饋放大。兩個(gè)反射鏡可以是平面，也可以是球面。其中一個(gè)要求是反射率為100％的全反射鏡，另一個(gè)是部分反射鏡。比如，反射率為95％時(shí)，5％的光透射出去供人應(yīng)用，從而構(gòu)成光學(xué)諧振腔。因?yàn)槠鋫?cè)面是敞開的，所以，又稱作“開放腔”。當(dāng)把激光介質(zhì)置于兩反射鏡之間后，即可構(gòu)成激光振蕩器。第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日當(dāng)外界強(qiáng)光激勵(lì)置于兩鏡間的激光介質(zhì)時(shí)，就在亞穩(wěn)態(tài)級(jí)與穩(wěn)態(tài)級(jí)之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。處于亞穩(wěn)態(tài)級(jí)的粒子當(dāng)自發(fā)地躍遷到低能級(jí)時(shí)將自發(fā)輻射光子，但這種發(fā)射是無規(guī)律的，射向四面八方，其中一部分可以誘發(fā)激發(fā)態(tài)上的粒子產(chǎn)生受激輻射。第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日從圖上可以看出，凡非腔軸方向的自發(fā)輻射，盡管它也可以誘發(fā)激發(fā)態(tài)上的粒子產(chǎn)生光放大，但因介質(zhì)體積有限，腔側(cè)面又是敞開的，終將逸出腔外。所以，產(chǎn)生激光的作用不大。唯獨(dú)沿腔軸方向的自發(fā)輻射才起作用。每當(dāng)它碰到鏡面時(shí)，便被反射沿原路折回，又重新通過介質(zhì)不斷誘發(fā)激發(fā)態(tài)上的粒子產(chǎn)生受激輻射光放大。由于受激輻射光在腔鏡間往返運(yùn)行，介質(zhì)被反復(fù)利用，腔軸方向受激輻射光就越來越強(qiáng)。其中一部分從部分反射鏡端射出，這就是激光；第30頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日