激光原理

    辐射

    电子的运动状态可以分为不同的能级,电子从高能级向低能级跃迁时,会释放出相应能量的电磁波(所谓自发辐射)。一般的发光体中,这些电子释放光子的动作是随机的,所释放出的光子也没有相同的特性,例如钨丝灯发出的光。
    当外加能量以电场、光子、化学等方式注入到一个能级系统并为之吸收的话,会导致电子从低能级向高能级跃迁,当自发辐射产生的光子碰到这些因外加能量而跃上高能级的电子时,这些高能级的电子会因受诱导而迁到低能级并释放出光子(所谓受激辐射),受激辐射的所有光学特性跟原来的自发辐射包括:频率、相位、前进方向等会是一样的,这些受激辐射的光子碰到其他因外加能量而跃上高能级的电子时,又会再产更多同样的光子,最后光的强度越来越大(即光线能量被放大了),而与一般的光不同的是所有的光子都有相同的频率、相位(同调性)、前进方向。
    要做到光放大,就要产生一个高能级电子比低能量级电子数目多的环境,即居量反转,这样才有机会让高能级电子碰上光子来释放新的光子,而不是随机释放。
    一般激光产生器有三个基本要素:
    “激发来源”(pumping source):又称“泵浦源”,把能量供给低能级的电子,激发使其成为高能级电子,能量供给的方式有电荷放电、光子、化学作用等。
    “增益介质”(gain medium):被激发、释放光子的电子所在的物质,其物理特性会影响所产生激光的波长等特性。
    “共振腔”(optical cavity/optical resonator):是两面互相平行的镜子,一面全反射,一面半反射。作用是把光线在反射镜间来回反射,目的是使被激发的光多次经过增益介质以得到足够的放大,当放大到可以穿透半反射镜时,激光便从半反射镜发射出去。因此,此半反镜也被称为输出耦合镜(output coupler)。两镜面之间的距离也对输出的激光波长有着选择作用,只有在两镜间的距离能产生共振的波长才能产生激光。

    居量反转(population inversion)

    在一个二级系统中,一个电子自低能级向高能级跃迁和自高能级向低能级跃迁的概率是一样的。为了达到光放大的作用,在高能级必须有更多的电子,使得受激辐射发生的概率更高。这个状态称为居量反转。出于这个原因,所以以光子激发的二级系统是无法实现激光的,所以激光一般是以通过三级系统和四级系统得到实现。在三级系统中,电子受激跃迁到高能级后,便很快转为亚稳态。由此激光媒介被激发为高能态,居量反转得到实现。