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激光发生的原理

要学习激光原理我们需要先了解以下这些概念

1、能级

物质是由原子组成,而原子又是由原子核及电子构成。电子围绕着原子核运动。而电子在原子中的能量不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们,这些电子会处于一些固定的“能级”,不同的能级对应于不同的电子能量,离原子核越远的轨道能量越高。此外,不同轨道可较多容纳的电子数目也不同,例如较低的轨道(也是较近原子核的轨道)较多只可容纳2个电子,较高的轨道上则可容纳8个电子等等。

2、跃迁

电子可以通过吸收或释放能量从一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子时,它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地,一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中,电子释放或吸收的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长,因此,吸收或释放的光具有固定的颜色。

3、自发辐射

指高能级的电子在没有外界作用下自发地迁移至低能级,并在跃迁时产生光(电磁波)辐射,辐射光子能量为hv=E2-E1,即两个能级之间的能量差。 这种辐射的特点是每一个电子的跃迁是自发的、独立进行的,其过程全无外界的影响,彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差,方向散乱。

4、受激吸收

受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态。电子可通过吸收光子从低能级跃迁到高能级。普通常见光源的发光(如电灯、火焰、太阳等的发光)都是由于物质在受到外来能量(如光能、电能、热能等)作用时,原子中的电子吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级,即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。

5、受激辐射

受激辐射是指处于高能级的电子在光子的“刺激”或者“感应”下,跃迁到低能级,并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。受激辐射的特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率,相同的方向,完全无法区分出两者的差异。这样,通过一次受激辐射,一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了,或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。

光子射入物质诱发电子从高能级跃迁到低能级,并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相位,此波长对应于两个能级的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子,就变成两个相同的光子。

6、受激吸收和受激辐射之间的关系

那么到底原子吸收外来的光子后,是表现为受激吸收呢还是受激辐射呢?

在一个原子体系中,总有些原子处于高能级,有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射,也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此,在光和原子体系的相互作用中,自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。

如果想获得越来越强的光,也就是说产生越来越多的光子,就须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢?我们知道,光子对于高低能级的原子是一视同仁的。在光子作用下,高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。这样,是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。

若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子,我们就得到被高度放大的光。但是,在通常热平衡的原子体系中,原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布规律。因此,位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下,为了得到光的放大,须到非热平衡的体系中去寻找。

7、粒子数反转 

一个诱发光子不仅能引起受激辐射,而且它也能引起受激吸收,所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时,受激辐射才能超过受激吸收,而占优势。由此可见,为使光源发射激光,而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多,这种情况,称为粒子数反转。但在热平衡条件下,原子几乎都处于较低能级(基态)。

因此,如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。那么如何才能达到粒子数反转状态呢?这需要利用激活媒质。所谓激活媒质(也称为放大媒质或放大介质),就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体,也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转,须使用多能级系统。

8、波尔兹曼分布规律

在通常热平衡条件下,处于高能级E2上的原子数密度N2,远比处于低能级的原子数密度低,这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小,即N∝exp(-E/kT),这就是波耳兹曼分布规律。

于是在上、下两个能级上的原子数密度比为:N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT} 式中k为波耳兹曼常量,。因为E2>E1,所以N2《N1。例如,已知氢原子基态能量为E1=-13.6eV,激发态能量为E2=-3.4eV,在20℃时,kT≈0.025eV,则N2/N1∝exp(-400)≈0

可见,在20℃时,全部氢原子几乎都处于基态,要使原子发光,须外界提供能量使原子到达激发态,所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来,这种光源所辐射光的能量是不强的,加上向四面八方发射,更使能量分散了。


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