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激光产生的原理

发光的本质是物质的原子或分子或离子处于较高的激发状态时,能从较高能级向低能级过渡,并自发地把过多的能量以光子的形式发射出来的结果。这些粒子处于最低能量的状态时为基态,吸收能量后处于较高能级时称为受激发态。    

光与物质相互作用时可出现受激吸收、自发辐射、受激辐射现象。   

受激辐射 

   

在稳定状态下,高能态的粒子数多于低能态的,而受激辐射要高能级的粒子数多于低能级的,使受激辐射过程强于吸收过程,因此粒子数的反转是产生激光的必要条件。能实现粒子数反转的工作物质最常见的是三能级系统或四能级系统的。    

激光发射的第二个条件是必须有一个起正反馈、谐振和输出作用的光学谐振腔。仅有粒子数反转分布还不能形成激光。因为激发态的粒子是不稳定的,它们在激发态的寿命时间范围内会纷纷跳回到基态,形成自发辐射,这些光子射向四面八方。要产生激光振荡还必须有起着正反馈、谐振和输出作用的光学谐振腔。在谐振腔中,偏离工作物质轴向的光子逸出腔外,只有沿着轴向传播的光子在谐振腔两端反射镜作用下才能往返传播。这些光子就成为引起受激辐射的激发因子,它们可导致轴向受激辐射的产生。受激辐射发出的光子与引起受激辐射的光子有相同的频率、相位、传播方向和偏振状态。它们沿轴线方向不断地往返,穿过已实现粒子数反转的工作物质,从而不断地引发受激辐射,使轴向行进的光子不断得到放大和振荡。这种雪崩式的光放大过程使得谐振腔内沿轴线方向的光量骤然增大,并从谐振腔的部分反射镜端射出,这就是激光束。    

有了稳定的光学谐振腔和能实现粒子数反转的工作物质还不一定能引起受激辐射的光振荡而产生激光输出。因为工作物质在光学谐振腔内虽然能够产生光放大,但在谐振腔内还存在着许多损耗因素,如反射镜的吸收、透射和衍射,以及工作物质不均匀造成的光线折射和散射等。如果各种损耗的结果抵消了谐振腔内的光放大过程,就不可能有激光输出。要获得激光输出,就必须满足下列光振荡的阈值条件: R1R2e2a(v)L³ 1 式中 R1R2分别为谐振腔两块反射镜的反射率,a(v)为工作物质的增益系数, L为两个反射镜的间距。该公式表明,光在谐振腔中每经过1次往返,即经过2次反射后,光强都要改变R1R2e2a(v)L倍。若R1R2e2a(v)L小于1,就意味着往返一次后光强减弱。来回多次反射后,它将变得越来越弱,因而不可能建立激光振荡。   

此外,只有当粒子反转数达到一定数值时,光的增益系数才足够大。因此,实现光振荡并输出激光,除了具备合适的工作物质和稳定的光学谐振腔外,还必须减少损耗,加快泵浦抽运速率,从而使粒子反转数达到产生激光的阈值条件。

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