1.原子發(fā)光的機理

1.1原子的結(jié)構(gòu)

根據(jù)玻爾理論,原子由帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子組成,電子圍繞著原子核做圓周運動。電子一方面由于繞核轉(zhuǎn)動而有離開核的趨勢，另一方面又受核的正電荷吸引而有靠近核的趨勢，兩者共同作用下使電子與核之間保持一定的距離，如果沒有外界作用，這個距離保持不變。在不同的原子中，繞核運動的電子數(shù)目也不相同。

1.2原子的能級

習慣上，可以畫一條條水平線，用其高低來代表能量的大小，這樣的圖形稱為能級圖，如下圖所示。

1.3原子發(fā)光的機理

當電子在某一固定的允許軌道上運動時，并不發(fā)射光子。通常情況下，原子處于能量最低的基態(tài)。當外界向原子提供能量時，原子由于吸收了外界能量，原子內(nèi)部的電子可以從低軌道躍遷到某一高軌道，即原子躍遷到某一激發(fā)態(tài)。常見的激發(fā)方式之一是原子吸收一個光子而得到能量hv。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，經(jīng)過或長或短的時間（一般為10 -8s左右），它會躍遷到能量較低的狀態(tài)，而以光子或其他方式放出能量。不論向上或向下躍遷，原子所吸收或放出的能量都必須等于相應的能級差。若吸收或放出光子，必須有hv=En-E1,其中En表示原子的高能級，E1表示基態(tài)。

2.自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收

2.1 自發(fā)輻射

當原子被激發(fā)到高能級E2時，它在高能級上是不穩(wěn)定的，總是力圖使自己處于低能級狀態(tài)E1。處于高能級的原子自發(fā)地向低能級躍遷，并發(fā)射出一個能量為hv=E2-E1的光子，這個過程稱為自發(fā)輻射躍遷，如下圖所示。

2.2 受激輻射

在頻率為v=（E2-E1）/h的光照射（激勵）下，或在能量為hv=E2-E1的光子誘發(fā)下，處于高能級E2上的原子有可能躍遷到低能級E1，同時輻射出一個與誘發(fā)光子的狀態(tài)完全相同的光子，這個過程稱為受激輻射躍遷，如下圖所示。

2.3 受激吸收

處于低能級E1的原子，在頻率為v的光場作用（照射）下，吸收一個能量為hV21的光子后躍遷到高能級的過程稱為受激吸收躍遷，如下圖所示。

2.4 三個愛因斯坦系數(shù)之間的關系

從式（1-12）可看出：溫度越高，粒子數(shù)也越多；能級越高，粒子數(shù)越少，如上圖所示。

兩個能級粒子數(shù)之比為

3.激光產(chǎn)生的條件

3.1 受激輻射光放大

一個光子激發(fā)一個粒子產(chǎn)生受激輻射，可以使粒子產(chǎn)生一個與該光子狀態(tài)完全相同的光子，這兩個光子再去激發(fā)另外兩個粒子，產(chǎn)生受激輻射，就可以得到完全相同的四個光子，如此下去……這樣在一個入射光子的作用下，可引起大量發(fā)光粒子產(chǎn)生受激輻射，并產(chǎn)生大量運動狀態(tài)完同完全相同的光子，這種現(xiàn)象稱為受激輻射光放大。

由于受激輻射產(chǎn)生的光子都屬于同一光子態(tài)，因此它們是相干的，在受激輻射過程中產(chǎn)生并放大了光，便是激光。

但是光與原子體系相互作用時，總是同時存在自發(fā)輻射，受激輻射和受激吸收三種過程，一束光通過了發(fā)光物質(zhì)后，光強增大還是減弱，要看哪種躍遷過程占優(yōu)勢。

通常情況下，受激輻射的概率是微乎其微的，占主導優(yōu)勢的是自發(fā)輻射。普通光源的相干性差正是由于絕大部分原子做自發(fā)輻射造成的。

可見，在光與原子相互作用的三種基本過程中，存在著兩種基本矛盾，受激輻射和受激吸收的矛盾，受激輻射和自發(fā)輻射的矛盾。而在正常情況下受激輻射并不占優(yōu)勢而在正常情況下，受激輻射并不占優(yōu)勢。想要通過受激輻射光放大過程產(chǎn)生激光，就必須具備克服這兩個矛盾的條件，從而確保受激輻射在三個過程中占主導地位。

3.2 集居數(shù)反轉(zhuǎn)

形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)分布是克服受激輻射和受激吸收的矛盾的必要條件。

為了產(chǎn)生受激輻射就必須改變粒子的常規(guī)分布狀態(tài)。如果采取諸如用光照、放電等方法從外界不斷的向發(fā)光物質(zhì)輸入能量，把處在低能級的發(fā)光粒子激發(fā)到高能級上去，便可使高能級的粒子數(shù)密度超過低能級的粒子數(shù)密度，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或集居數(shù)反轉(zhuǎn)，如下圖所示

只要使發(fā)光物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，受激輻射就會大于受激吸收，當頻率為v的光束通過發(fā)光物質(zhì)，光強就會得到放大，這便是激光放大器的基本原理。即便沒有入射光，只要發(fā)光物質(zhì)中有一個頻率合適的光子存在，便可像連鎖反應一樣，迅速產(chǎn)生大量相同光子態(tài)的光子,形成激光，這就是激光器的基本原理。由此可見,形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光或激光放大的必要條件。

一般來說，當物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時，集居數(shù)反轉(zhuǎn)是不可能的。要想使處于正常狀態(tài)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，必須激發(fā)低能級的原子使之躍遷到高能級，且在高能級有較長的壽命，因而必須由外界向物質(zhì)供給能量，從而使物質(zhì)處于非熱平衡狀態(tài)時,集居數(shù)反轉(zhuǎn)才可能實現(xiàn)。外界向物質(zhì)供給能量，把原子從低能級激勵到高能級，從而在兩個能級之間實現(xiàn)集居數(shù)反轉(zhuǎn)的過程稱為泵浦(或激勵、抽運)。現(xiàn)有的泵浦源有多種多樣，如閃光燈氣體放電化學反應熱能、核能等。

3.3 激活粒子的能級系統(tǒng)

為了形成穩(wěn)定的激光，首先必須有能夠形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的發(fā)光粒子，稱之為激活粒子。它們可以是分子,原子或離子。這些激活粒子有些可以獨立存在，有些則必須依附于某些材料中。為激活粒子提供寄存場所的材料稱為基質(zhì)，基質(zhì)可以是固體或是液體?；|(zhì)與激活粒子統(tǒng)稱為激光工作物質(zhì)。

并非各種物質(zhì)都能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)中，也并非是在該物質(zhì)的任意兩個能級間都能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須有合適的能級系統(tǒng)。首先必須要有激光上能級和激光下能級;除此之外,往往還需要有一些與產(chǎn)生激光有關的其他能級。通常的激光工作物質(zhì)都是由包含有亞穩(wěn)態(tài)的三能級結(jié)構(gòu)或四能級結(jié)構(gòu)的原子體系組成。如下圖所示。

應注意，以上的三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)都是指與激光的產(chǎn)生過程直接有關的能級，不是說物質(zhì)只具有三個或四個能級。對任何一種實際的工作物質(zhì)，與激光有關的能級結(jié)構(gòu)和能級躍遷特性可能是很復雜的；對于不同的工作物質(zhì)，彼此又有很大的差異。

3.4 光的自激振蕩

受激輻射除了與受激吸收過程相矛盾外，還與自發(fā)輻射過程相矛盾。處于激發(fā)態(tài)能級的原子，可以通過自發(fā)輻射或受激輻射回到基態(tài)，在這兩種過程中，自發(fā)輻射是主要的?？梢?#xff0c;即使介質(zhì)已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也未必就能實現(xiàn)以受激輻射為主的輻射。要解決受激輻射與自發(fā)輻射的矛盾，使受激輻射占絕對優(yōu)勢，還需要利用光學諧振腔來實現(xiàn)光的自激振蕩，即激光振蕩。

1.光學諧振腔

激光產(chǎn)生起始時，介質(zhì)以自發(fā)輻射為主，凡是偏離軸向傳播的自發(fā)輻射光子會很快的逸出介質(zhì)。而沿著軸向傳播的自發(fā)輻射光子會不斷地引起受激輻射而得到加強，使相應的光場單色能量密度不斷增大。如果增益介質(zhì)足夠長，就有可能使受激輻射躍遷概率大于自發(fā)輻射躍遷概率，從而獲得以受激輻射為主的輸出。

通常激光器并不需要采用一個很長的工作物質(zhì),而是利用光學諧振腔來解決這個問題。在工作介質(zhì)的兩頭放置兩塊相互平行并與工作物質(zhì)的軸線垂直的反射鏡，這兩塊反射鏡與工作介質(zhì)--起，就構(gòu)成一個光學諧振腔。

沿軸向傳播的光束可以在兩個反射鏡之間來回反射，被連鎖式地放大,最后形成穩(wěn)定的激光束,這一過程就是光的自激振蕩，如下圖所示。兩個反射鏡，一個的反射率是100%,另一個是部分反射鏡，激光從部分反射鏡輸出。

2.振蕩條件

有了能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)和光學諧振腔，還不一定能引起自激振蕩而產(chǎn)生激光。因為工作物質(zhì)在光學諧振腔內(nèi)雖然能夠引起光放大，但諧振腔內(nèi)還存在著使光子減少的相反過程，稱為損耗。損耗有多種原因，如反射鏡的透射、吸收和衍射，工作物質(zhì)不均勻所造成的折射或散射等。顯然，只有當光在諧振腔內(nèi)來回一次所得到的增益大于同一過程中的損耗時,才能維持光振蕩。也就是說，要產(chǎn)生激光振蕩,必須滿足一定的條件，這個條件是激光器實現(xiàn)自激振蕩所需要的最低條件，又稱閾值條件。

總結(jié)：激光工作介質(zhì)通過光泵浦，實現(xiàn)集居數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射躍遷概率大于受激吸收躍遷概率。產(chǎn)生的光子在諧振腔內(nèi)自激振蕩，受激輻射躍遷概率大于自發(fā)輻射躍遷概率。此時受激輻射起主導作用，激光便產(chǎn)生。

摘自《激光原理及應用》（第三版）

個人排版作圖。

總結(jié)

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