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目錄

第1章?激光原理

1.1 概述

1.2?.受激吸收（簡稱吸收）

1.3?自發輻射

1.3?受激輻射、激光

1.4 激光的難點

1.5?粒子數反轉

1.6 激光器的發展

1.7 激光的頻率與能量

1.8 電磁波譜

第2章 激光器的結構

2.1?激勵系統

2.2 激光物質：

2.3?光學諧振腔：

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第1章?激光原理

1.1 概述

激光實際上是光與物質的相互作用，實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻射光子，同時改變自身運動狀況的表現。

微觀粒子都具有特定的一套能級（通常這些能級是分立的）。

任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態（或者簡單地表述為處在某一個能級上）。

與光子相互作用時，粒子從一個能級躍遷到另一個能級，并相應地吸收或輻射光子。

光子的能量值為此兩能級的能量差△E，頻率為ν=△E/h（h為普朗克常量）。

1.2?.受激吸收（簡稱吸收）

處于較低能級的粒子在受到外界的激發（即與其他的粒子發生了有能量交換的相互作用，如與光子發生非彈性碰撞），吸收了能量時，躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。

1.3?自發輻射

粒子受到激發而進入的激發態，不是粒子的穩定狀態，如存在著可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發地從高能級激發態（E2）向低能級基態（E1）躍遷，同時輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 ν=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發輻射。眾多原子以自發輻射發出的光，不具有相位、偏振態、傳播方向上的一致，是物理上所說的非相干光。

1.3?受激輻射、激光

1917年，愛因斯坦從理論上指出：除自發輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當頻率為 ν=（E2-E1）/h的光子入射時，也會引發粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射兩個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。

可以設想，如果大量原子處在高能級E2上，當有一個頻率 ν=（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵E2上的原子產生受激輻射，得到兩個特征完全相同的光子，這兩個光子再激勵E2能級上原子，又使其產生受激輻射，可得到四個特征相同的光子，這意味著原來的光信號被放大了。這種在受激輻射過程中產生并被放大的光就是激光。

1.4 激光的難點

愛因斯坦1917提出受激輻射，激光器卻在1960年問世，相隔43年，為什么？

主要原因是，普通光源中粒子產生受激輻射的概率極小。

當頻率一定的光射入工作物質時，受激輻射和受激吸收兩過程同時存在，受激輻射使光子數增加，受激吸收卻使光子數減小。物質處于熱平衡態時，粒子在各能級上的分布，遵循平衡態下粒子的統計分布律。按統計分布規律，處在較低能級E1的粒子數必大于處在較高能級E2的粒子數。這樣光穿過工作物質時，光的能量只會減弱不會加強。要想使受激輻射占優勢，必須使處在高能級E2的粒子數大于處在低能級E1的粒子數。這種分布正好與平衡態時的粒子分布相反，稱為粒子數反轉分布，簡稱粒子數反轉。

如何從技術上實現粒子數反轉是產生激光的必要條件。

1.5?粒子數反轉

理論研究表明，任何工作物質，在適當的激勵條件下，可在粒子體系的特定高低能級間實現粒子數反轉。若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1，E2和E1能級上的布居數密度為N2和N1，在兩能級間存在著自發發射躍遷、受激發射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發射躍遷所產生的受激發射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發下產生的受激發射光是相干的。受激發射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場的單色能量密度。當兩個能級的統計權重相等時，兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2<N1，所以受激吸收躍遷占優勢，光通過物質時通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵可以破壞熱平衡而使N2>N1，這種狀態稱為粒子數反轉狀態。在這種情況下，受激發射躍遷占優勢。光通過一段長為l的處于粒子數反轉狀態的激光工作物質（激活物質）后，光強增大eGl倍。G為正比于（N2-N1）的系數，稱為增益系數，其大小還與激光工作物質的性質和光波頻率有關。一段激活物質就是一個激光放大器。如果，把一段激活物質放在兩個互相平行的反射鏡（其中至少有一個是部分透射的）構成的光學諧振腔中（圖1），處于高能級的粒子會產生各種方向的自發發射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內往返傳播，當它在激光物質中傳播時，光強不斷增長。如果諧振腔內單程小信號增益G0l大于單程損耗δ（G0l是小信號增益系數），則可產生自激振蕩。

原子的運動狀態可以分為不同的能級，當原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的光子（所謂自發輻射）。

1.6 激光器的發展

激光器——能發射激光的裝置。

1954年制成了第一臺微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束。

1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應用到光頻范圍，

1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。

1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。

1962年R.N.霍耳等人創制了砷化鎵半導體激光器。

1.7 激光的頻率與能量

光的顏色由光的波長（或頻率）決定。一定的波長對應一定的顏色。

??????太陽輻射出的可見光段的波長分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間，對應的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽光談不上單色性。發射單種顏色光的光源稱為單色光源，它發射的光波波長單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發射某一種顏色的光。單色光源的光波波長雖然單一，但仍有一定的分布范圍。如氖燈只發射紅光，單色性很好，被譽為單色性之冠，波長分布的范圍仍有0.00001納米，因此氖燈發出的紅光，若仔細辨認仍包含數十種紅色。由此可見，光輻射的波長分布區間越窄，單色性越好。?[1]?

激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布范圍可以窄到2×10^(-9)米級別，是氪燈發射的紅光波長分布范圍的萬分之二。由此可見，激光器的單色性遠遠超過任何一種單色光源。

光子的能量是用E=hv來計算的，其中h為普朗克常量，v為頻率。由此可知，頻率越高，能量越高。激光頻率范圍3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。

1.8 電磁波譜

（1）無線電波——波長從幾千米到0.3米左右，一般的電視和無線電廣播的波段就是用這種波；

（2）微波——波長從0.3米到10^-3米，這些波多用在雷達或其它通訊系統；

（3）紅外線——波長從10^-3米到7.8×10^-7米；

（4）可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個波段。波長從780—380nm。

光是原子或分子內的電子運動狀態改變時所發出的電磁波。

由于它是我們能夠直接感受而察覺的電磁波極少的那一部分；

（5）紫外線——波長從3 ×10^-7米到6×10^-10米。這些波產生的原因和光波類似，常常在放電時發出。由于它的能量和一般化學反應所牽涉的能量大小相當，因此紫外光的化學效應最強；

（6）倫琴射線(X射線)—— 這部分電磁波譜，波長從2×10^-9米到6×10^-12米。倫琴射線（X射線）是電原子的內層電子由一個能態跳至另一個能態時或電子在原子核電場內減速時所發出的；

（7）伽馬射線——是波長小于0.1納米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內發出來的，放射性物質或原子核反應中常有這種輻射伴隨著發出。γ射線的穿透力很強，對生物的破壞力很大。由此看來，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因為它的作用范圍很小，一般只有一個點），短時間里聚集起大量的能量，用做武器也就可以理解了。

第2章 激光器的結構

激光器，就是一臺能量轉換器，將其他形式的能量轉換成光能。

激光器的種類雖然很多，但制造原理基本相同，大多由??????激勵系統，激光物質和光學振腔三部分組成。

2.1?激勵系統

是產生光、電、化學能的裝置。激

激勵系統提供能量，使激光物質里的大多數電子吸收能量跳到原子的外層軌道上去，為以后放出激光創造條件。

現在使用的激勵手段主要有光照、通電、化學反應等。

2.2 激光物質：

是能夠產生激光的物質。

人們已經發現了上千種這樣的物質能產生激光，如紅寶石、釹玻璃、氖氣、氮氣、二氧化碳、金屬蒸氣、半導體、有機染料等。

激光器按激光物質的物理狀態分，主要有四種：

用固體物質作激光物質的激光器叫固體激光器，

用氣體物質作激光物質的激光器叫氣體激光器、

用半導體作激光物質的激光器叫半導體激光器，

用有機染料的溶液制成的激光器叫液體激光器。

工作物質直接決定了激光器的價格，想想我們生活中的激光筆，看到的舞臺燈光表演，除非家里有紅寶石，藍寶石礦，絕對不會用寶石來當作工作物質。

目前市場上用的絕大多數工作物質是價格較低的半導體，幾乎90%的激光器都是半導體激光器，當然還有液體，氣體等激光器。

2.3?光學諧振腔：

作用是強化輸出激光的亮度，調節和選定光的波長和方向。

工作物質發出來的光，并沒有直接射到外面，而是來到了諧振腔——由兩個鏡片構成的腔室。

發出來的光在兩個鏡片之間不停的反射，最終在方向上達成一致，這就是為什么激光射出去是一條直線。不一致的早就從其他地方散失點了，而普通光源就是四面八方發射。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的[激光器原理与应用-4]：激光器的内部结构与工作原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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