Xiamen KingNoahva Scientific Instrument Co., Ltd
初探激光首篇簡(jiǎn)要介紹了激光器的發(fā)展歷史，激光器分類，激光特性及激光應(yīng)用，那么激光形成的原理是什么呢？今天，小編給大家介紹一些有關(guān)激光原理方面的小知識(shí)，了解激光是如何形成的。
一：光吸收和發(fā)射理論
在了解激光形成之前，我們首先要了解愛(ài)因斯坦光的吸收和發(fā)射理論的一些基本概念：
圖一：波爾原子模型
躍遷：原子從某一能級(jí)吸收或者釋放能量，變成另一能級(jí)。
物質(zhì)在光頻輻射場(chǎng)的作用下可發(fā)生光的自發(fā)輻射，受激吸收，受激輻射。
1.1 自發(fā)輻射
粒子在沒(méi)有外界干預(yù)的情況下，也會(huì)由激發(fā)態(tài)的高能級(jí)E2自發(fā)地向低能級(jí)E1躍遷，同時(shí)發(fā)出一個(gè)光子的能量。
其中h為普朗克常數(shù)，h=6.626*10-34J.s，v為頻率，自發(fā)輻射與物質(zhì)本身性質(zhì)有關(guān)與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)。
圖二：自發(fā)輻射
1.2 受激吸收
粒子吸收外來(lái)光子能量hv，并從低能級(jí)E1躍遷到高能級(jí)E2，且E2-E1=hv，這個(gè)過(guò)程稱為受激吸收。
圖三：受激吸收
1.3 受激輻射
粒子中處于高能量級(jí)E2的電子，在外來(lái)光子（其頻率恰好滿足hv=E2-E1）的誘發(fā)下向低能級(jí)E1躍遷，并發(fā)出與外來(lái)光子一樣特征的光子，這叫受激輻射。
由受激輻射得到的放大了的光是相干光，稱為激光。
圖四:受激輻射
圖五：受激輻射光放大示意圖
二：激光產(chǎn)生三要素
了解完愛(ài)因斯坦光的吸收和發(fā)射理論的基本概念，那么我們接下來(lái)來(lái)了解一下激光的基本構(gòu)成和產(chǎn)生激光的必要條件：（三要素）：
1、實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)—工作物質(zhì)
2、使原子被激發(fā)—激勵(lì)能源
3、要實(shí)現(xiàn)光放大—光學(xué)諧振腔
所以激光形成的基本構(gòu)成就是如下三個(gè)部分：
諧振腔，增益介質(zhì)（激光工作介質(zhì)），激勵(lì)能源
那么我們具體介紹一下三個(gè)基本構(gòu)成部分吧：
2.1 增益介質(zhì)（激光工作介質(zhì)）
激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。氣體介質(zhì)如：氦氖混合氣、銅蒸氣、氬氣、氪氣、二氧化碳、氮?dú)?；液體介質(zhì)主要是有機(jī)化合物液體（染料）；固體介質(zhì)如：紅寶石、摻釹離子的釔鋁石榴石（Nd：YAG）、摻釹離子玻璃、摻鈦離子的藍(lán)寶石；半導(dǎo)體介質(zhì)：砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)。在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的?，F(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)包括從真空紫外到遠(yuǎn)紅外，非常廣泛。
2.2 激勵(lì)能源
為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來(lái)利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來(lái)照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。?
2.3 諧振腔
有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際是在激光器兩端，面對(duì)面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過(guò)這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來(lái)回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。?
圖六：激光的形成（光束在諧振腔內(nèi)來(lái)回振蕩，在增益介質(zhì)中的傳播使得光得以放大，并輸出激光。）
光在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作中往返傳播，使諧振腔內(nèi)的光子數(shù)不斷增加，從而獲得很強(qiáng)的光，這種現(xiàn)象叫光振蕩。
加強(qiáng)光須滿足駐波條件 L=kλ/2
圖七：光學(xué)諧振腔示意圖
三：激光原理
粒子數(shù)正常分布和粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)分布：
N1＞N2表明，處于低能量的電子數(shù)大于高能級(jí)的電子數(shù)，這種分布叫做粒子數(shù)的正常分布，N2＞N1，叫做粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或集居數(shù)反轉(zhuǎn)。
圖八：粒子數(shù)正常分布與反轉(zhuǎn)分布
從外界輸入能量（如光照，放電等），把低能級(jí)上的原子激發(fā)到高能量級(jí)上去，這個(gè)過(guò)程叫做激勵(lì)（也叫泵浦-pump）
圖九：紅寶石鉻離子能級(jí)示意圖
四：紅寶石激光器
1960年5月，美國(guó)加利福尼亞州休斯航空公司實(shí)驗(yàn)室研究員梅曼，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了一臺(tái)小型的激光發(fā)生器,這是世界上第一臺(tái)激光器。激光用紅寶石晶體的基質(zhì)是Al2O3，晶體內(nèi)摻有約0.05%（重量比）的Cr2O3。
圖十：第一臺(tái)紅寶石激光器結(jié)構(gòu)圖
如果小編上面介紹的不是很清楚，可以點(diǎn)擊觀看 Engineerguy系列激光的原理視頻哦（帶中文字幕），我們下期再見(jiàn)!
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