激光产生的基本条件

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：激光与普通光源不同，它是在介质内的受激辐射作用下向外发出大量的光子而形成的。激光的产生必须具备以下三个基本条件：有对光场提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子有适合产生受激辐射的能级结构。有能使激光上下能级之间产生粒子反转的外界激励源。当光和介质相互作用时，介质中存在吸收和受激辐射这两个物理过程。也就是说，在热平衡状态时，激光工作物质产生激光是不可能实现的。

激光与普通光源不同，它是在介质内的受激辐射作用下向外发出大量的光子而形成的。激光的产生必须具备以下三个基本条件：

（1）有对光场提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合产生受激辐射的能级结构。

（2）有能使激光上下能级之间产生粒子反转的外界激励源。

（3）有光学谐振腔，增加激活介质的工作长度，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。

当光和介质相互作用时，介质中存在吸收和受激辐射这两个物理过程。如果高能级上的原子数较多，那么受激辐射就占优势；如果低能级上的原子较多，那么吸收就多于受激辐射。一般情况下，介质处于热平衡状态，各能级上的粒子密度按能量的分布服从玻尔曼统计分布，即

式中 n1——处于低能级E1原子数密度；

n2——处于高能级E2原子数密度；

hv——光子能量；

g1——低能级E1的简并度（或称统计权重）；

g2——高能级E2的简并度。

由于E1＜E2，所以大多数粒子都处于能量较低的能级上，且满足由此可知，在通常的热平衡状态下，介质中的吸收过程总是大于辐射过程。在沿光的传播方向上，由于入射光穿透介质时因介质吸收而减少的光子数多于因受激辐射而补充的光子数，光强会逐渐变弱。也就是说，在热平衡状态时，激光工作物质产生激光是不可能实现的。要想产生激光，就必须满足在光通过介质时，光的受激辐射大于光的吸收，使光在其传播方向上能越传越强。这样就需要将处于低能级上的粒子大量地泵浦到高能级上，破坏热平衡，达到这种情况称为粒子反转分布，也称为集居数反转分布。处于这种状态的介质称为增益介质或激活介质。这就是说，激光的增益介质需要得到外界能源的激励才有可能实现粒子数反转分布。这种把原子从低能级激励到高能级以使在这两个能级之间实现粒子反转的过程称为抽运或是泵浦。泵浦的方法多种多样，常用的方法有：光泵浦、放电泵浦、化学反应泵浦、重粒子泵浦和离子辐射泵浦等。

激光产生的基本条件

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