激光发光机制与光学谐振腔

2023-12-04 百科知识版权反馈

【摘要】：激光的发光机制比普通光源发光机制要复杂得多，为此我们必须首先了解以下几个概念。此概念在讨论激光发光机制时将会用到。所谓激光，指的就是受激辐射光放大。3．光学谐振腔从理论上讲，只要使工作物质实现粒子数反转，就可能产生受激辐射并引起光放大，从而获得强大的激光束。

激光的发光机制比普通光源发光机制要复杂得多，为此我们必须首先了解以下几个概念。

（一）粒子数按能级分布

在一个由大量粒子（原子、分子或离子）组成的体系中，粒子不停地无规则运动着，相互碰撞并交换能量，有的吸收能量由低能级（或基态）向高能级跃迁；有的则由高能级向低能级（或基态）返回而放出能量。在同一时刻，有些粒子处于高能级上，有些处于低能级上，在达到热平衡时，单位体积内同类粒子在各能级上数目的多少是按一定统计规律分布的。常温下，几乎全部粒子都处于基态。

（二）自发辐射和无辐射跃迁

1．自发辐射　处于激发态的粒子会自发地、不受任何外界影响地向低能级（或基态）跃迁（因每次跃迁只涉及高、低能级——E2和E1，故不必画出原子所有能级，只讨论两个能级即可）。在自发跃迁过程中，粒子放出的能量△E＝E2－E1，其释放方式有两种：一是将△E全部转化为一个光的能量向外辐射，这种自发地从激发态返回到低能态（或基态）并放出光子的过程称为自发辐射（spontaneous radiation），如图1－2所示，辐射光子的频率由公式1－2决定；二是自发无辐射跃迁。

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图1－2　自发辐射

自发辐射的特点：各原子究竟从哪个高能级向哪个低能级返回完全是随机的，因此，它们在自发辐射过程中，发出的光子其位相、振动态、频率（或波长）和传播方向都无确定的关系，即自发辐射的光波是非相干的，普通光源的发光都是自发辐射。

2．自发无辐射跃迁　处于高能级E2的粒子与周围粒子无规则碰撞，将能量△E转化为系统的热能或其他非辐射形式的能而返回到较低能级E1上，并不向外辐射光子，这种过程称为自发无辐射跃迁（spontaneous radiationless transition）。此概念在讨论激光发光机制时将会用到。

（三）受激辐射输出

早在1917年爱因斯坦研究热辐射时就预言：在辐射过程中，除自发辐射外，同时还存在另一种辐射，即受激辐射。

1．受激辐射　当频率为 pagenumber_ebook=19,pagenumber_book=19 的外来光子接近并影响处于高能级E2上的某粒子时，该粒子就会受此光子的影响（刺激或感应），立即从E2返回到E1，同时发出一个与外来光子完全相同的光子，这一过程称为受激辐射（stimulated radiation）（图1－3）。

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图1－3　受激辐射

受激辐射的特点：它不是自发产生的，必须有外来光子刺激（或感应）才会产生；外来光子的能量必须等于粒子两能级能量之差时才有可能；受激辐射光子与外来光子的频率、位相、传播方向和振动态都完全相同，也就是说，无法区分外来光子与受激辐射光子。这两个完全相同的光子又去诱发其他处于高能级E2上的粒子而产生受激辐射，就出现4个相同的光子，如此下去，所产生的光不仅是相干光，而且会使光的强度增大，可见，受激辐射引起了光放大。所谓激光，指的就是受激辐射光放大。

2．受激吸收　若能量为hv21的外来光子经过处于基态E1的粒子时，则粒子就可能吸收该光子的能量而从E1被激励到高能量级E2上去，光子被吸收而消失，这一过程称为受激吸收（stimulated absorb）或称吸收过程（图1－4）。

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图1－4　受激吸收(www.chuimin.cn)

可见，当外来光子通过物质时，同时会有受激辐射和受激吸收两个相反的过程产生，且对单个粒子来说，两过程产生的概率应是一样的。但实际上，当外来光子通过物质时，总是只看到光被吸收，而没看到受激辐射光放大。这是因为在通常情况下，处于低能级上的粒子数总是远大于高能级上的粒子数，故吸收远大于受激辐射。

（四）激光产生的必要条件

1．粒子数反转　当物质中有辐射能时，上述的受激辐射、吸收和自发辐射三过程是同时进行的。当原子体系处于热平衡态时，光的吸收过程是主要的，受激辐射过程是次要的，因此，这种体系不可能获得受激辐射光放大。要想获得受激辐射光放大——激光，除非使原子体系处于非热平衡态，也就是说，设法使处于高能级上的粒子数多于处低能级上的粒子数，即使粒子数处于正常分布的反转状态，这种分布称为粒子数反转（populationinversion）。

那么，如何才能使原子体系处于非热平衡状态，从而实现粒子数反转呢？首先要具备必要的能量输入系统，以便不断地从外界供给能量，使物质中有尽可能多的粒子吸收能量后从低能级不断激发到高能级上去，这一能量供应过程称“激励”“抽运”或“泵浦”。所用的能源称“激励源”或“泵浦源”，用光作为激励源的称“光泵”、用化学能的称“化学泵”、用核能的称“核泵”、用电能的称“电泵”……。尽管激励方式不同，但目的都是要使物质中尽可能多的粒子吸收能量后，从低能级不断激发到高能级上去，有选择地使某个或几个较高能级上的粒子数大大地增加，且超过低能级上的粒子数，从而实现粒子数反转。

2．激活媒质（工作物质）　实现粒子数反转，除了要有一个强有力的激励源外，还须有另一重要条件，那就是选择有合适能级结构的物质。因为并非所有的物质都能实现粒子数反转，只有那些具有亚稳态（metastable state）能级结构（亚稳态也是激发态，但其寿命约为10－3s，比激发态长得多）的物质才有可能实现粒子数反转，因此，我们把能够造成粒子数反转的物质称为激活媒质（或称激光的工作物质）。

能够实现粒子数反转的工作物质种类很多，有固体（如红宝石、钇铝石榴石、半导体等）、气体（如He－Ne，CO2，Ar＋等）和液体（如有机染料等），它们是组成激光器的主要部件。

3．光学谐振腔　从理论上讲，只要使工作物质实现粒子数反转，就可能产生受激辐射并引起光放大，从而获得强大的激光束。实际不然，原因是仅靠一次通过有限长的工作物质的光放大，其放大能力是有限的；且光在物质中还要被吸收；同时工作物质中的自发辐射是各向同性的，在它们的激励下产生的受激辐射方向也是各异的，总体上受激辐射的积累是有限的。为获得方向性、单色性好的相干光，还必须使用光学谐振腔（optical cavity）。

图1－5是光学谐振腔的示意图。在工作物质两端加上一对互相平行且垂直于工作物质轴线的反射镜（反射镜可以是平面、凹面或一平一凹面），两镜间就构成了光学谐振腔（光腔）。其一端是全反射镜（反射率为100%），另一端是部分反射镜（反射率＞90%），激光束就从该端输出。

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图1－5　光学谐振腔

（五）受激辐射输出－激光的发射

下面简述受激辐射输出－激光发射的全过程：当激励能源使工作物质处于粒子数反转时，亚稳态上的粒子会在10－3s后产生自发辐射，其光子的发射方向是任意的，如图1－6a所示。但是，凡偏离谐振腔轴线的光子，很快就逸出腔外，只有沿轴线方向传播的光子才能在两反射镜内振荡，反复通过处于粒子数反转的工作物质，不断产生受激辐射，形成光放大，如图1－6b所示。这是一种雪崩式放大过程，当光放大能克服传播过程中的损耗和部分透射时，腔内便形成了稳定的持续振荡，从部分反射镜输出一束单色性、方向性好的强相干光，这就是激光。

可见，一般激光器由三部分组成：①具有亚稳态结构的工作物质；②激励能源；③光学谐振腔。而产生激光的必要条件则是：①实现粒子数反转；②光学谐振腔。

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图1－6　激光产生原理

应该指出：当工作物质足够长且增益系数足够高时，也可不用谐振腔，只要对工作物质进行强激励，使其形成粒子数反转，此时它也可对自发辐射行波单程放大而获得相干性、方向性好的强光束，这称为超辐射效应，它是介于激光与自发辐射之间的一种现象，如激活N2系统可观察到该效应。但这是个别现象，目前利用谐振腔获得激光是普遍的，特别从控制光的特性方面，谐振腔是不可缺少的。

激光发光机制与光学谐振腔

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