激光的基本原理

1、激光的基本原理一、光与物质的关系 前述过光、原子、能级和光谱。物质是由一些同类微粒组成（即原子、分子、离子）。由于这些能级处于不同的能级上，而在这些能级中，用E1及E2分别表示两个能级量，E1所带的能量少，属低能级。E2所带的能量多。为高能级。由于粒子所含的能量不同，总的来说粒子在低能级的占多数，高能级的占少数。因此在低能级（E1）中的粒子数大于高能级中（E2）的粒子数。可用图18表示、低能级（E1E2）上粒子数的分布。粒子二能级分布图光与物质作用有三方面（1）受激吸收 低能级E1的粒子当吸收一定频率r21的外来光能时，粒子的能量就会增到E2E1hr21(h)表示普朗克常数），粒子就从低能级E

2、1跃迁到高能级E2上，这一过程叫做受激吸收，而外来光的能量被吸收，使光减弱。粒子进行跃迁不是自发的，要靠外来光子刺激而进行。粒子是否能吸收发来的光子，还得取决于两个能级（E1和E2）性质和趋近于粒子的光子数的多少有关。而与其它方向。位相等方面就无任何限制。（2）自发辐射处于高能级的粒子很不稳定，不可能长时间的停留在高能级上。以氢原子为例，在高能级停留的时间只有10-8秒（粒子在高能级停留的时间为粒子的寿命，寿命长的为亚稳态能级）。因此，在高能级E2中的粒子会迅速跃迁到低能级E1上，同时以光子的形式放出能量hr21E2E1（hr21为辐射光子频率）。这一过程不受到外界的作用时完全是自发的。所产生

3、的光没有一定规律，相位和方向都不一致。不是单色光。我们在日常生活中也可以看到的如日光灯，高压汞灯和一些充有气体的灯，发光都是自发辐射的过程，这些光是向各个方向传播。因此与受辐射发出的光，其相位和方向完全相反。这种以光的形式辐射出来的，叫做自发辐射跃迁。可是在跃迁的过程中有一些不产生光辐射的跃迁，而它们主要是以热的运动形式消耗能量，即为无辐射跃迁。自发辐射的特点，即每一个粒子的跃迁都是自发的，孤立地进行，也就是相互独立，彼此无联系。产生的光子杂乱无章，无规律性。1.基能级上的粒子 2.粒子被激发到E2能级上1.处于高能级E2上的粒子 2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一干光子（3）受激辐射它

4、是与受激发吸收的相反过程。处于高能级的粒子，在某种频率r21光子诱发下，从原来所在的能级上E2，放出与外来光子完全相同光子，此时既产生了一个光子（受激发前后共有2个光子），使原来的能量减少Ehr21。把高能级上的粒子跃迁到低能级E1上的这一过程称做受激辐射。受激辐射的特点本身不是自发跃迁，而是受外来光子的刺激产生。因而粒子释放出的光子与原来光子的频率、方向传播、相位及偏振等完全一样，无法区别出哪一个是原来的光子，哪一个是受激发后而产生的光子，受激辐射中由于光辐射的能量与光子数成正比例，因而在受激辐射以后，光辐射能量增大一倍。以波动观点看，设外来光子为一种波，受激辐射产生的光子为另一种波，由于两

5、个波的相位、振动方向，传播的方向及频率相同。两个波合在一起能量就增大一倍，即通过受激辐射光波被放大。外来光子量越多，受激发的粒子数越多，产生的光子越大，能量越高。1.处于高能级E2上的粒子。 2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一个光子。受激辐射时光束放大 从上可知，受激辐射及吸收同时存在于光辐射与粒子体系，是在同一整体之中相互对立的两个方面，它们发生的可能性是同等的，这两个方面即受激辐射与吸收哪一个占主导地位，取决于粒子在两个能级上的分布。激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的，也就是在基发态的粒子数尽可能多些。以实现受激辐射。 二、粒子数反转与光放大 在受激辐射中怎样把粒子数提高到高能

6、级上，总的来说粒子数在能级上的分布有两种：一种是热平衡分布，即粒子体系（同种粒子）在热平衡状态下，各能级上的粒子数遵从玻耳兹曼分布：公式NiNeEi/KT，Ni为单位体积中总的粒子数，K为玻耳兹曼常数（1.38×10-6），T为绝对温度。把两上能级上的粒子数相比时可以看到，N2/N1e(-E2-E1)/KT，由于E2E1，而绝对T0，K是正整数，KT0因此N2N1。其主要原理是高能级上的粒子数，要比低能级的粒子数少（在受激发时）。光辐射在热平衡状态下的粒子体系在相互作用下，粒子体系吸收光子的数大于受激辐射产生的光子数，光吸收起主导作用。在一般的情况下观察不到光的放大现象，但可以观察到

7、光的吸收现象。要想实现光的放大作用，必须得把热平衡分布倒转过来，就可使粒子数在能级中进行另一种新的分布，即非热平行分布。这种新的分布使高能级上粒子分布的数量大于在低能级上粒子分布的数量，即N2N1。这时受激辐射的过程大于吸收过程，从而实现光放大，一般常称为粒子反转分布。所谓的“反转”，是对热平衡分布比较而言。处于高能级被反转上去的粒子很不稳定，常会自发在或在外加的刺激下辐射出能量，从高能级粒子跃迁到低能级上，促使粒子体系回到热平衡分布状态。因而可以看出，实现粒子数反转是实现受激辐射的必要条件之一。粒子数如何实现反转分布，涉及两个方面：一是粒子体系（工作物质）的内结构；二是给工作物质施加外部作用

8、。所讲的工作物质是指在特定条件下能使两个能级间达到非热平衡状态，而实现光放大，不是每一种物质都能做工作物质。粒子体系中有一些粒子的寿命很短暂，只有10-8秒。有一部分寿命相对较长些，如铬离子在高能级E2上寿命只不过是几个毫秒。寿命较长的粒子数能级叫做亚稳态能级，除铬离子外，还有一些亚稳态能级，主要有钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氪离子、氩离子等。有了亚稳态能级，在这一时间内就可以实现某一能级与亚稳态能级实现粒子数反转，以达到对特定频率辐射光进行光放大。意即粒子数反转是产生光放大的内因。那外因是什么？既对亚稳态能级粒子体系（主要工作物质）增加某种的外部作用。由于热平衡的分布中粒子体系处于低能级的

9、粒子数，总是大于处在高能级上的粒子数，当要实现粒子数反转，就得给粒子体系增加一种外界的作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程被叫做激励，或被称为泵浦，尤如把低处的水抽到高处一样。经过大量实践，了解并掌握了一些粒子数反转的有效方法。对固体形的工作物质常应用强光照射的办法，即为光激励。这类工作物质常应用的有掺铬刚玉、掺钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等等。对气体形的工作物质，常应用放电的办法，促进特定储存气体物质按一定的规律经放电而激励，常应用的工作气体物质，有分子气体（如CO2气体）及原子气体（如He-Ne原子气体）。如工作物质为半导体的物质，采用注入大电流方法激励发光，常见的有砷化镓，这类

10、注入大电流的方法被叫做注入式激励法。此外，还可应用化学反应方法（化学激励法）、超音速绝热膨胀法（热激励），电子束甚至用核反应中生成的粒子进行轰击（电子束泵浦、核泵浦）等方法，都能实现粒子数反转分布。从能量角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。激光器中激光能量的来源，是由激励装置，其它形式的能量（诸如光、电、化学、热能等）转换而来。三、光学谐振腔处于粒子数反转状态的粒子体系（工作物质）。具有特定频率的光进行放大。激光振荡器中工作物质发出的光不是外来的，而是工作物质本身自发跃迁而产生的，即自发辐射（非受激辐射）。由于自发辐射没有确定的频率及传播方向，且杂乱无章。为使自发辐射频率单一性，

11、就需要有一装置来实现，即光学谐振腔。要解决自发辐射，使其呈单一性的方法是只有在工作物质的两侧放置两块反射镜。而且两块反射镜必须彼此平行，并与工作物质的光轴垂直。两个反射镜中，一个是全反射镜，反射有效率为99.8，一个是半反射镜。反射率为4060。谐振腔即指两块反射镜构成的空间。在谐振腔中，初始的光辐射是来自自发辐射，即处于高能级上粒子自发辐射光子跃迁到低能级。由于这类辐射出来的光子初相位无规律地向四面八方射出。这种光不是激光。而是像点烯的一个火种尤如生炉子点火一样。激光振荡反射示意图 自发辐射光子不断产生，同时射向工作物质，再激发工作物质产生很多新光子（受激辐射）。光子在传播中一部分射到反射镜

12、上，另一部分则通过侧面的透明物质跑掉。光在反射镜的作用下又回到工作物质中，再激发高能级上的粒子向低能级跃迁，而产生新的光子。在这些光子中，不在沿谐振腔轴方向运动的光子。就不与腔内的物质作用。沿轴方向运动的光子，经过谐振腔中的两个反射镜多次反射，使受激辐射的强度越来越强。促使高能级上的粒子不断地发出光来。如果光放大到超过光损耗时（衍射、吸收、散射等损失）产生光的振荡，使积累在沿轴方向的光，从部分反射镜中射出这就形成激光。在谐振腔的反馈过程中，我们了解到光只能沿谐振腔的轴向传播，因此激光具有很高的方向性。又由于谐振腔中两个反射镜之间距离不同，光在腔内不断地反射，得到加强。而其它波长的光在腔内很快被

13、衰减掉，谐振腔就可以选择一固定波长，说明激光具有单色性。而激光的亮度高是由光放大产生的。四、产生激光的条件和过程激光的产生，必须有激光器，而激光器必须具备三个主要的组成部分。1激活物质即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也称做激光工作物质。诸如氖、氩、CO2、红宝石及钕玻璃等。必须具备有亚稳态能级性质的物质。2激励装置能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，既称为激励装置。如各种激光器所具备的电源。3光学谐振腔能使光子在其中重复振荡并多次被放大的一种由硬质玻璃制成的谐振腔。产生激光的过程可归纳为：激励激活介质（即工作物质）粒子数反转；被激励后的工作物质中偶然发出的自发辐射其它粒子的受激辐射光子

14、放大光子振荡及光子放大激光产生。基于以上所述，在激光产生的原则中缺一因素不可。从原理了解激光形成的过程，对具体使用好激光手术刀很重要。并可能在工作中能得心应手地掌握激光。能尽量大限度地维护激光器，及防止在使用时所产生的伤害。由于激光波长与不同种类的激光器中的工作物质密切相关，在后将作详述。 五、激光器的分类 实际应用的激光器种类很多，如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器。气体型的激光器主要有He-Ne（氦氖）、CO2及氩离

15、子激光器等。由于工作物质不同，产生不同波长的光波不同，因而应用范围也不相同。最常用而范围广的有CO2laser及Nd：YAG激光。有的激光器可连续工作，如He-Ne laser；有的以脉冲形式发光工作。如红宝石激光。而另一些激光器既可连续工作，又可以脉冲工作的有CO2laser及Nd：YAG laser。（一）固体激光器实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质（即含有亚稳态能级的工作物质）。如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。在激光器中以固体激光器发展最早，这种激光器体积小，输出功率大，应用方便。由于工作

16、物质很复杂，造价高。当今用于固体激光器的物质主要有三种：掺钕铝石榴石（Nd：YAG）工作物质，输出的波长为1.06m呈白蓝色光；钕玻璃工作物质，输出波长1.06m呈紫蓝色光；红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。主要用光泵的作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。固定激光器的结构由三个主要部分组成：工作物质，光学谐振腔、激励源。聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。工作物质吸收足够大的光能，激发大量的粒子，促成粒子数反转。当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。工作物质有2条主要作用：一是产生光；二是作为介质传播光束。因此，不管哪一种激光器

17、，对其发光性质及光学性质都有一定要求。（二）气体激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体（如非金属粒子的有水、汞），及固体（如金属离子结构的铜，镉等粒子），经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。气体激光器大多应用电激励发光，即用直流，交流及高频电源进行气体放电，两端放电管的电压增压时可加速电子，带有一定能量，在工作物质中运动的电子与粒子（气体的原子或分子）碰撞时将自身的能量转移给对方，使

18、分子或原子被激发到某一高能级上而形成粒子数反转，产生激光。气体激光器与固体激光器相比较，两者中以气体激光器的结构相对简单得多，造价较低，操作简便，但是输出功率常较小。因气体激光器中的工作物质不同。因此分中性（惰性）原子、离子气体、分子气体三种激光器。中性原子气体激光器这类激光器中主要充有以惰性气体（氦、氖、氩、氪等）的物质。氦氖（He-Ne）激光器 首台氦氖激光器诞生于1960年，它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和激光谱线，主要产生的有632.8nm红光、和1.15m及3.39m红外光。632.8nm氦氖激光器最大连续输出功率可达到一W，寿命也达到一万小时以上。借助调节放大电流大小，使功

19、率稳定性达到30秒内的误差为0.005，十分钟内的误差为0.015的功率稳定度；发散角仅为0.5毫弧度。氦氖激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。氦氖激光在精确指示，激光测量，医疗卫生方面有很广泛的用途。氦氖激光器的工作原理：氦氖激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给

20、氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时，分别发出波长3.39m，632.8nm，1.53m三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。He-Ne激光器结构：此类激光器的结构大体可分为三部分，既放电管、谐振腔和激发的电源。现在临床上最常应用的为内腔式。He-Ne激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。放电的内管直径约23mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率

21、越大，相应的放电电压就高。管内主要按5：110：1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2.663.99Pa。管的一端装有铝圆筒作阴极（其圆管状结构主要是为了减少放电测射），另一端装有钨针作阳极，放电管两端装有反射镜（即一头为全反射镜，出光一端为半反射镜）。这就构成了激光放电管。在氦氖激光器中，采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。在其中一端反射率为100，另一端反射率由激光器的增益而定。放电毛细管长度约1520cm，He-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.599.5。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过0.1mm。He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同

22、，不能使用光泵激励，而采用电激励的方法。把工作物质封入放电管中，供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。通过放电过程把能量传给工作物质，促使气体中的离子、原子被激发。医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。（三）分子气体激光器分子气体激光器与原子气体激光器不一样，分子气体由碳和氧组成（最常用），其原则上是能够实现高效率与高功率输出。分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一和种激光器，分子能级跃迁形式与原子能级跃迁相同。只不过是工作物质为分子与原子的差别。分子气体激光器中主要使用的为CO2激光器，下面将详述。CO2激光器

23、 CO2激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.6m波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。在医疗中使用的CO2激光器几乎百分之百是电激励。CO2激光器的工作原理：与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因而能级也

24、很复杂。CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。CO2激光

25、的激发过程：CO2激光器中，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。CO2分子激光跃迁能级图 CO2激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃

26、迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。结构：激光管：是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。管长的粗一点，管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通，这样就可使气体在放电管中与储气

27、管中循环流动，放电管中的气体随时交换。CO2激光器结构图光学谐振腔：CO2激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜用K8光学玻璃或光学石英，经加工成大曲率半径的凹面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜镀金膜，在波长10.6m处的反射率达98.8，且化学性质稳定。二氧化碳发出的光为红外光。所以反射镜需要应用透红外光的材料，因为普通光学玻璃对红外光不透。就要求在全反射镜的中心开一小孔。再密封上一块能透过10.6m激光的红外材料，以封闭气体。这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外，形成一束激光。电源及泵浦：封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。3040mA的工作电流，阴极

28、圆筒的面积500cm2，不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一光栏。泵浦采用连续直流电源激发。激励CO2激光器直流电源原理，直流电压为把市内的交流电压，用变压器提升，经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。通俗解释：_白炽灯、日光灯、高压脉冲氙灯、激光灯的发光现象，都是光源系统中原子（或分子、离子）内部能量变化的结果。原子的能级结构是发光现象的物质基础，激光的产生，不外乎通过以下几个过程和步骤：（一）激发一般原子系统中，绝大多数的原子不是处于低能级的基态，而是处于高能级的激发状态的原子数目，相比之下是非常少的。例如：在室温（2728）的情况下，红宝石晶体中处于基态的铬离子数目为激发态的1030

29、倍，因此，红宝石铬离子基本上是处于基态的。如果要使这些处于基态的粒子产生辐射作用，首先必须把这些基态上的粒子激发到高能级去，从低能级到高级去的这一过程称为激发或抽运。这个吸收能量的过程，称做光的受激吸收（图4-26-4）。激发的方法很多，主要是给基态粒子外加一定能量，例如光照、电子碰撞、分解或化合以及加热等。基态粒子吸收能量后即被激发，例如红宝石激发器就是脉冲氙灯照射的方法施加光能,使铬离子从基态激发到高能级的激发态上。又如氦氖激光器通过电子与氦原子碰撞，使氦原子获得能量。氦原子通过碰撞又将能量传给氖原子，氖原子获得能量后从基态激发到高能级去。化学激发器是用分解或化合的方法作为激发能源。由于原

30、子内部结构的不同，在相同的外界条件下，原子从基态被激发到各个高能级去的可能性是不一致的。通常把原子从基态激发到某一能级上去的可能性，叫做该能级的“激发机率”。各能级的激发机率是不同的，有的很大，有的很小，这种机率取决于物质自身的性质。（二）辐射原子（或分子、离子）总是力图使自己的能量状态处于基态上，被激发到高能级后的粒子，力图回到基态上去，与此同时放出激发时所吸收的能量。基态是粒子能量最平衡最稳定的状态，从高级回到低能级去的过程称为跃迁，跃迁时释放的能量即辐射。跃迁的形式有以下几种：1、自发跃迁不受外界能量的影响，只是由于原子内部运动规律所导致的跃迁称为自发跃迁。这种跃迁释放能量的形式又有两种

31、：一种是变为热运动释放能量，叫做无辐射跃迁；另一种是以光的形式将能量辐射出来，叫做自发辐射跃迁。自发辐射出来的光频率，由发生跃迁的两能级间之能量差所决定。 普通光源如白炽灯、日光灯、高压水银灯、氙灯等都是通过自发跃迁辐射产生光，这种光是非相干光。2、受激跃迁由于入射光子的感应或激励，导致激发原子从高能级跃迁到低能级去，这个过程称为受激跃迁或感应跃迁。这种跃迁辐射叫做“受激辐射”。受激辐射出来的光子与入射光子有着同样的特征，如频率、相位、振辐以及传播方向等完全一样。这种相同性就决定了受激辐射光的相干性。入射一个光子引起一个激发原子受激跃迁，在跃迁过程中，辐射出两个同样的光子，这两个同样的光子又去

32、激励其它激发原子发生受激跃迁，因而又获得4个同样的光子。如此反应下去，在很短的时间内，辐射出来大量同模样、同性能的光子，这个过程称为“雪崩”。雪崩就是受激辐射光的放大过程。受激辐射光是相干光，相干光有叠加效应，因此合成光的振幅加大，表现为光的高亮度性。激发寿命与跃迁机率取决于物质种类的不同。处于基态的原子可以长期的存在下去，但原子激发到高能级的激发态上去以后，它会很快地并且自发地跃迁回到低能级去。在高能级上滞留的平均时间，称为原子在该能级上的“平均寿命”，通常以符号“”表示。一般说，原子处于激发态的时间是非常短的，约为108秒。激发系统在1秒内跃迁回基态的原子数目称为“跃迁机率”，通常以“A”

33、表示。大多数同种原子的平均跃迁机率都有固定的数值。跃迁率A与平均寿命的关系：A1/由于原子内部结构的特殊性，决定了各能级的平均寿命长短不等。例如红宝石中的铬离子E3的寿命非常短，只有109秒，而E2的寿命比较长，约为数秒。寿命较长的能级称为“亚稳态”。具有亚稳态原子、离子或分子的物质，是产生激光的工作物质，因亚稳态能更好地为粒子数反转创造条件。（三）粒子数反转和激光的形成当光子通过某一介质时，它可能被原子（或离子、分子）所吸收，从而使原子从低能级激发到高能级去，这个过程称为“共振吸收”或称光的受激吸收。另外，入射光也能引起处于高能级的原子发生受激辐射。在一般情况下，处于低能级的原子数目远远超过

34、处于高能级的原子数目。要想得到受激辐射，就必须先使原子（或离子、分子）激发到高能级去。人为地施加一定能量，使高能级上具有较多的粒子数分布，这种状态称为“粒子数反转”。产生粒子数反转的物质就称为活性物质。如何实现粒子数反转，下面以红宝石激光器为例加以说明。红宝石激光器的激发是通过氙灯输送能量。E1、E2、E3是铬离子相对应的三个能级，使铬离子从基态E1激发到共振吸收带E3上去，形成了E3对E2粒子数反转（图4-26-7（1）。但是由于E3的寿命很短（即自发跃迁机率很大），因此铬离子的能级就很快地并且以无辐射跃迁的形式落入E2中，同时放出热能。E2是寿命较长的亚稳态，跃迁机率较小，因此E2就积聚了

35、大量的铬离子。当氙灯光足够时，则E2上的粒子（铬离子）数就大为增加，此时E2对E1来说就出现了粒子数反转（图4-26-7（2）。若用E2与E1间跃迁相对应频率（E2-E1）/h的光子引发时，上述活性系统就可产生E2对E1的受激辐射。受激辐射可以使光放大，这种放大是由于该系统受激发时从外部吸收的能量和引发的能量一举放出的结果。处于粒子数反转状态的活性系统，可以产生“雪崩”。雪崩过程可以使光再次放大。该过程的继续进行，必须通过一定的装置，这种装置就是光学共振腔。从共振腔中持续发出来的、特征完全相同的大量光子就是激光。（四）光学共振腔激光所以具有良好的单色性、方向性以及较高的亮度，主要是取决于光学共

36、振腔的作用。于工作物质的两端加上两快相互平行的反光镜，其中一块是全反射镜，另一块是半反射镜，这就是光学共振腔的主要结构。在光学共振腔中的活性物质，受到外加能量的激励而产生的光子可以射向各个方向，但其中传播方向与反射镜垂直者，则在介质中来回反射振荡。在反射振荡的过程中，引发介质中其它活性物质点受激辐射，因此这种辐射的强度越来越大。由于受激辐射反复振荡产生的大量光子都具有相同的特征和一致的传播方向，因此决定了激光具有良好的单色性和准直的定向性。又由于光子来回不断地进行振荡，辐射强度借以得到极度的增大，因此又保证了激光的高度性。 激光入门知识一、激光产生原理1、普通光源的发光受激吸收和自发辐射普通常

37、见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为108109秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为h=E2-E1这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一

38、个范围。在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即Nexp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1exp-(E2-E1)/kT式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2>E1，所以N2N1。例如，已知氢原子基态能量为E113.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20时，kT0.025eV，则N2/N1exp（400）0可见，在20时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广

39、义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。2、受激辐射和光的放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数n(n=1,2,）决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，波尔曾给出了量子化公式Lnnh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l（角动量量子数）量子数

40、相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射。受激辐射的概念世爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量h正好为某

41、一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。3、粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情

42、况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。二、激光器的结构激光器一般包括三个部分。1、激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。2、激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；

43、也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。3、谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部

44、分反射镜子一端输出。下面以红宝石激光器为例来说明激光的形成。工作物质是一根红宝石棒。红宝石是掺入少许3价铬离子的三氧化二铝晶体。实际是掺入质量比约为0.05%的氧化铬。由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石呈粉红色。1960年梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径0.8cm、长约8cm的圆棒。两端面是一对平行平面镜，一端镀上全反射膜，一端有10%的透射率，可让激光透出。红宝石激光器中，用高压氙灯作“泵浦”，利用氙灯所发出的强光激发铬离子到达激发态E3，被抽运到E3上的电子很快（108s）通过无辐射跃迁到E2。E2是亚稳态能级，E2到E1的自发辐射几率很小，寿命长达10-3s，即允许粒子停留较长时间。于是，粒子就在E2上积聚起来，实现E2和E1两能级上的粒子数反转。从E2到E1受激发射的波长是694.3nm的红色激光。由脉冲氙灯得到的是脉冲激光，每一个光脉冲的持续时间不到1ms，每个光脉冲能量在10J以上；也就是说，每个脉冲激光的功率可超过10kW的数量级。注意到上述铬离子从激发到发出激光的过程中涉