激光產(chǎn)生的原理和產(chǎn)生的過(guò)程
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激光（受激輻射光）英文名Laser,即LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation的縮寫。中文意思是受激輻射光放大，這已說(shuō)明了激光的產(chǎn)生過(guò)程。我們就從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、光的輻射和吸收來(lái)了解這一過(guò)程。
激光產(chǎn)生原理
要了解激光，我們首先應(yīng)先了解一下這樣幾個(gè)概念。
能級(jí)
物質(zhì)是由原子組成，而原子又是由原子核及電子構(gòu)成。電子圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)。而電子在原子中的能量不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們，這些電子會(huì)處于一些固定的“能級(jí)”，不同的能級(jí)對(duì)應(yīng)于不同的電子能量，離原子核越遠(yuǎn)的軌道能量越高。此外，不同軌道可最多容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道（也是最近原子核的軌道）最多只可容納2個(gè)電子，較高的軌道上則可容納8個(gè)電子等等。
躍遷
電子可以通過(guò)吸收或釋放能量從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)。例如當(dāng)電子吸收了一個(gè)光子時(shí)，它便可能從一個(gè)較低的能級(jí)躍遷至一個(gè)較高的能級(jí)。同樣地，一個(gè)位于高能級(jí)的電子也會(huì)通過(guò)發(fā)射一個(gè)光子而躍遷至較低的能級(jí)。在這些過(guò)程中，電子釋放或吸收的光子能量總是與這兩能級(jí)的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長(zhǎng)，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。
基態(tài)和激發(fā)態(tài)
當(dāng)原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能級(jí)時(shí)，整個(gè)原子的能量最低，我們稱原子處于基態(tài)。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)原子電子處于較高的能級(jí)時(shí)，我們稱原子處于激發(fā)態(tài)。
受激吸收
受激吸收就是處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)。
電子可通過(guò)吸收光子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。
普通常見(jiàn)光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等的發(fā)光）都是由于物質(zhì)在受到外來(lái)能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電子吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過(guò)程是一個(gè)“受激吸收”過(guò)程。
受激輻射
受激輻射是指處于高能級(jí)的電子在光子的“刺激”或者“感應(yīng)”下，躍遷到低能級(jí)，并輻射出一個(gè)和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點(diǎn)是由受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的原來(lái)的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率，相同的方向，完全無(wú)法區(qū)分出兩者的差異。這樣，通過(guò)一次受激輻射，一個(gè)光子變?yōu)閮蓚€(gè)相同的光子。這意味著光被加強(qiáng)了，或者說(shuō)光被放大了。這正是產(chǎn)生激光的基本過(guò)程。
光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長(zhǎng)和相位，此波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)的能量差。一個(gè)光子誘發(fā)一個(gè)原子發(fā)射一個(gè)光子，最后就變成兩個(gè)相同的光子。
自發(fā)輻射
是指高能級(jí)的電子在沒(méi)有外界作用下自發(fā)地遷移至低能級(jí)，并在躍遷時(shí)產(chǎn)生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hυ=E2-E1，即兩個(gè)能級(jí)之間的能量差。
這種輻射的特點(diǎn)是每一個(gè)電子的躍遷是自發(fā)的、獨(dú)立進(jìn)行的，其過(guò)程全無(wú)外界的影響，彼此之間也沒(méi)有關(guān)系。因此它們發(fā)出的光子的狀態(tài)是各不相同的。這樣的光相干性差，方向散亂。
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受激吸收和受激輻射之間的關(guān)系
那么到底原子吸收外來(lái)的光子后，是表現(xiàn)為受激吸收呢還是受激輻射呢
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在一個(gè)原子體系中，總有些原子處于高能級(jí)，有些處于低能級(jí)。而自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子既可以去刺激高能級(jí)的原子使它產(chǎn)生受激輻射，也可能被低能級(jí)的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子體系的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時(shí)存在的。如果想獲得越來(lái)越強(qiáng)的光，也就是說(shuō)產(chǎn)生越來(lái)越多的光子，就必須要使受激輻射產(chǎn)生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎樣才能做到這一點(diǎn)呢？我們知道，光子對(duì)于高低能級(jí)的光子是一視同仁的。在光子作用下，高能級(jí)原子產(chǎn)生受激輻射的機(jī)會(huì)和低能級(jí)的原子產(chǎn)生受激吸收的機(jī)會(huì)是相同的。這樣，是否能得到光的放大就取決于高、低能級(jí)的原子數(shù)量之比。若位于高能態(tài)的原子遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于位于低能態(tài)的原子，我們就得到被高度放大的光。但是，在通常熱平衡的原子體系中，原子數(shù)目按能級(jí)的分布服從玻爾茲曼分布規(guī)律。因此，位于高能級(jí)的原子數(shù)總是少于低能級(jí)的原子數(shù)。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級(jí)的原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激輻射才能超過(guò)受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn)，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級(jí)（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。那么如何才能達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)呢？這需要利用激活媒質(zhì)。所謂激活媒質(zhì)(也稱為放大媒質(zhì)或放大介質(zhì)），就是可以使某兩個(gè)能級(jí)間呈現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)。它可以是氣體，也可以是固體或液體。用二能級(jí)的系統(tǒng)來(lái)做激活媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是不可能的。要想獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須使用多能級(jí)系統(tǒng)。
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波爾茲曼分布規(guī)律
在通常熱平衡條件下，處于高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度N2，遠(yuǎn)比處于低能級(jí)的原子數(shù)密度低，這是因?yàn)樘幱谀芗?jí)E的原子數(shù)密度N的大小時(shí)隨能級(jí)E的增加而指數(shù)減小，即N∝exp(-E/kT)，這就是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為
N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}
式中k為波耳茲曼常量，T為絕對(duì)溫度。因?yàn)镋2>E1，所以N2《N1。
例如，已知?dú)湓踊鶓B(tài)能量為E1＝－13.6eV，第一激發(fā)態(tài)能量為E2=-3.4eV，在20℃時(shí)，kT≈0.025eV，則
N2/N1∝exp（－400）≈0
可見(jiàn)，在20℃時(shí)，全部氫原子幾乎都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光，必須外界提供能量使原子到達(dá)激發(fā)態(tài)，所以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)輻射兩個(gè)過(guò)程。一般說(shuō)來(lái)，這種光源所輻射光的能量是不強(qiáng)的，加上向四面八方發(fā)射，更使能量分散了。
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激光產(chǎn)生的過(guò)程
以紅寶石激光器為例，原子首先吸收外部注入的能量，躍遷至受激態(tài)（E3）。原子處于受激態(tài)的時(shí)間非常短，大約為10－7秒后，它便會(huì)落到一個(gè)稱為亞穩(wěn)態(tài)（E2）的中間狀態(tài)。原子在亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間很長(zhǎng)，大約是10－3秒或更長(zhǎng)的時(shí)間。原子長(zhǎng)時(shí)間停留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此時(shí)的狀態(tài)稱就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。其產(chǎn)生的結(jié)果就導(dǎo)致使通過(guò)受激輻射由亞穩(wěn)回到基態(tài)（E1）的原子，比通過(guò)受激吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，從而形成激光。這就是典型的激光三能級(jí)系統(tǒng)。
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當(dāng)粒子受外界能量激勵(lì)從E1到E3，由于E3能級(jí)壽命短，很快轉(zhuǎn)移到E2上，因能級(jí)E2為亞穩(wěn)態(tài)，在E2、E1間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。由于下能級(jí)E1為基態(tài)，通常總是積聚著大量的粒子，因此要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須將半數(shù)以上的基態(tài)粒子激發(fā)到E2上，所以，外界激勵(lì)就需要有相當(dāng)強(qiáng)的能力。
而我們所用的YAG激光系統(tǒng)屬于四能級(jí)系統(tǒng)。如所示，能級(jí)E1為基態(tài)，E2、E3、E4為激發(fā)態(tài)。在外界激勵(lì)的條件下，基態(tài)E1上的粒子大量被激發(fā)到E4上，又迅速轉(zhuǎn)移到E3上，E3能級(jí)為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)。而E2能級(jí)壽命很短，E2上的粒子又很快躍遷到基態(tài)E1，所以，四能級(jí)系統(tǒng)中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是在E3與E2間實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光下能級(jí)是E2，不像三能級(jí)系統(tǒng)那樣，為基態(tài)E1。因?yàn)镋2不是基態(tài)，所以在室溫下，E2能級(jí)上的粒子數(shù)非常少。因而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)激光器中，除摻釹釔鋁石榴石（簡(jiǎn)Nd3+:YAG）激光器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級(jí)系統(tǒng)激光器。需要指明，以上討論的三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)都是對(duì)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中直接有關(guān)的能級(jí)而言，不是說(shuō)某種物質(zhì)只具有三個(gè)能級(jí)或四個(gè)能級(jí)。
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