激光的产生

激光的产生当一定频率的光辐射通过适当选择的介质时，能使介质粒子数反转分布并使光辐射得到放大。设计这种装置，使光辐射在介质中来回传播而反复放大，最后以高亮度、高单色性和高方向输出，这便是激光。常用的激光器由三部分组成，即工作物质、谐振腔和激励能源（见图2-3）。其中工作物质（又称激活介质）的作用，是提供亚稳态能级，以实现粒子数反转，对受激辐进行放大。下面说明激光器各部分的工作原理。一、激活介质中粒子数的反转分布的实现对于不同种类的激光器，实现粒子数反转分布的具体方法是不同的，但都可以用图2-4所概括的基本过程来说明。在图2-4（a）中，E1为基态，E3和E2为激发态，其中E2为亚稳态，粒子在E2上的寿命比粒子在E3上的寿命要长得多。一般激发态的寿命在1011108s之间，而亚稳态的寿命长达103s，甚至1s。在外界能源（电源或光源）激励下，基态E1上的粒子是被抽运到激发态E3上，因而E1上的粒子数N1减小。由于E3态的寿命很短，粒子将通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于E2态寿命长，其上就积累了大量粒子，即N2不断增加。一方面是N1减少，另一方面是N2增加，以致N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。利用处在这种状态下的激活物质制成放大器，当有外来光讯号输入时，其中频率为v = (E2E1 ) / h的光就被放大。红宝石激光器发射的6943谱线，就是红宝石晶体中铬离子（Cr3+）的亚稳态与基态之间的粒子数反转所造成的受激发射。直接造成亚稳态与基态之间的粒子数反转是比较困难的，这是因为热平衡时基态几乎集中了全部粒子，只有当激励能源很强，进行快速抽运，才可能实现粒子数反转。是否可以使粒子数反转分布的下能级E1 不在基态，而在激发态，这个设想现在已经实现，很多激光器，例如He-Ne、CO2等激光器的激活介质中出现粒子数反转的两个特定能级中，下能级E1 不是基态，而是激发态，如图2-5（b）所示。激发态上的粒子数本来就很少，只要亚稳态E2上稍有粒子积累，就较容易实现粒子数反转。当E3上的粒子向E2 转移得越快，以及当E1 上的粒子向基态E0 过渡得越快，则工作效率就越高。不论三能级图或四能级图，都表明要出现粒子数反转，必须内有亚稳态，外有激励能源，粒子的整个输运过程必定是一个循环往复非平衡平程。激活介质的作用就是提供亚稳态。所谓三能级图或四能级图，并不是激活介质的实际能级图，它们只是对造成粒子数反转的整个物理过程的抽象概括。实际能级图要比它们复杂，而且一种激活介质的内部，可能同时存在几对特定能级间的粒子数反转，相应地发射几种波长的激光，例如He-Ne激光器就可以发射6328，1.15m，3.39m等多种波长的激光。又如握氩离子（Al+）激光器，能输出很多波长的激光，其中最强的是4800 （蓝光）和5145 （绿光），这两个波长目前在激光彩色电视中选为基色。二、增益系数正如介质对光的吸收能力用吸收系数来描述一样，介质对光的放大能力同增益系数（简称增益）G来描写。如图2-5所示，当一束光射入介质后，设它在x处的光强为I，到达x + dx的地方，光强变为I + dI。在吸收的情况下，dI I1，即光在谐振腔内往返振荡的过程中不断增强；若，则I5 Gm时光强也不会无限制地增长下去，因为随着光强的增大，激活介质的实际增益将下降，当G下降到等于Gm值时，光强即达稳定。总之，考虑到激光器中光能的损耗，对激活介质的增益有一个最低的要求。阈值条件是继粒子数反转分布条件之后的又一个产生激光的必要条件。尽量减少不必要的损耗，就可以降低阈值，这在实际激光器的设计和生产中是必须考虑的。上面所“光能的损耗”，其中包括一部分从M2透射出去的光能，这是必要的，因为这正是我们需要激光能量。应当减少的是其余一些不必要损耗，如光在激活介质中的散射损耗等。此外，在外腔式激光器中还有激光封口的反射损耗，它通过特别设计的布儒斯特窗来减少损耗。如图2-10所示的外腔式激光器中，谐振腔的两个反射镜M1和M2安置HeNe激光管的外部，以便于调节和进行科学实验。这种激光管也就多了两个封口b1和b2，因而它比内腔式激光器多了一重反射损耗，而且，这种损耗是不可忽略的。光束每次经过一片玻璃封口，要发生两次反射，光能损耗至少在8%以上。不过我们知道，光在介质表面反射时，存在一个全偏振角（布儒斯特角）当光线以iB角入射时，反射光中的P振动分量为零，就是说，对于P光，反射损耗完全被消除了，它可全部透射进去；对于S光，它仍然有较高的反射率，反射损耗可达14%左右。所以，当封口b1、b2按布儒斯特角iB倾斜时（叫布儒斯特窗），对于S光，由于损耗过大，压倒了增益，从而被抑制，不能成长为激光；对于P光，布儒斯特窗是完全透明的，没有带来新的损耗，其增益容易满足阈值条件。可见，具有布儒斯特窗的外腔式激光器对光的偏振状态还具有选择性，它所产生的激光是线偏振的，其振动面是窗口法线与管轴组成的平面。当然，引进两个窗口，由于角度误差以及表面光洁度和清洁度的影响，总不可能使P