【激光器基本原理和组成分析概述1700字】

激光器基本原理和组成分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u6710激光器基本原理和组成分析概述 -1-163461.1激光器基本原理 -1-198141.2激光器基本组成 -3-1.1激光器基本原理量子力学认为原子只能稳定存在于不连续的定态中，我们称这些定态为原子能级。而原子在能级间进行运动实质上是原子能量产生了变化，我们将这种原子吸收或向外辐射能量而在能级间过渡的过程称为原子跃迁。在一系列原子能级中，我们将原子能量最低的能级称为基能级，将处于基能级原子的状态称为基态，而将所有能量高于基能级的定态称为激发能级，并称处于这些能级的原子处于激发态。爱因斯坦以量子理论为基础提出辐射和原子的相互作用包含以下三种过程：（1）原子的自发辐射跃迁；自发辐射，顾名思义，是原子自发的由高能级向低能级跃迁而向外辐射光子的过程。自发辐射的产生是由于原子在低能态稳定性高这一自身性质决定的，是一种与外部辐射场无关的自发运动，所以这种跃迁中由于各原子自发辐射的光相互独立、充满随机性，故而原子的自发辐射光为非相干光。简单的自发辐射跃迁过程如图1.1所示，图中处于较高能级E2能级的原子由于自身能量高于基态，故处于一种不稳定状态，所以其在不施加外部能量的情况下，自发的向较低能级E1跃迁，并将对应的能量以光子形式释放。自发辐射过程为激光的产生提供了种子源。图1.1自发辐射（2）原子的受激辐射跃迁；受激辐射是指在外来光场作用下，处于高能级的粒子受激跃迁至低能级并向外辐射光子的过程。由于该过程中，发生跃迁的原子中的电子振荡过程受外加光场作用的影响，释放的光子为外来光子的全同光子，即与外来光子频率、偏振方向、传播方向等均完全相同的光子，我们可以得出，受激辐射产生的光场是与外加光场能量状态完全一致的光场。所以，原子的受激辐射跃迁实质上也是光放大过程。简单的受激辐射过程如图1.2所示，处于上能级E2的原子受到外加光场中能量与其跃迁能量hν=E2-E1相匹配的光子刺激，向下能级E1跃迁并释放一个外加光场光子的全同光子。受激辐射过程为光波的放大、激光的产生提供了物理基础。图1.2受激辐射（3）原子的受激吸收跃迁。受激吸收是指在外来光场作用下，处于低能级的粒子吸收光子并从低能级受激跃迁至高能级的过程。简单的受激吸收过程如图1.3所示，处于低能级E1的原子受到外加光场作用，吸收能量hν=E2-E1的光子，受其激励，跃迁至高能级E2。图1.3受激吸收通常来说，处于低能级的粒子数要远远多于高能级，所以，受激吸收总是占优势，在这样的情况下，表现出来的结果是对光的吸收而非我们所想要得到的光放大。要想对光产生增益作用，我们需要使受激辐射占优势，从而便于实现粒子数的反转。然后借助受激辐射光场与外加光场量子状态完全一致的特点，在大量原子受激辐射释放光子的情况下得到高单色性、高方向性、高亮度、高相干性的良好的激光输出。因此，我们需要提供足够的泵浦能量、使原子可以尽量久的处于激发态。综上所述，我们可以总结出激光形成有三大必要条件：（1）要有合适的激光工作物质，也就是拥有合适的亚稳态能级，让粒子处于集居反转状态的激活物质；（2）有能够激发原子，形成粒子数反转的泵浦源；（3）有光学谐振腔，维持光振荡、利用激活物质对光进行放大并控制腔内振荡光束的输出方向等。1.2激光器基本组成根据上文对激光原理的简要介绍，我们已经了解了激光形成的三大必要条件：（1）要有合适的激光工作物质，也就是拥有合适的亚稳态能级，让粒子处于集居反转状态的激活物质；（2）有能够激发原子，形成粒子数反转的泵浦源；（3）有光学谐振腔，维持光振荡、利用激活物质对光进行放大并控制腔内振荡光束的输出方向等。所以，我们可以推知，为了满足输出激光的条件，激光器由激励能源（泵浦源），工作物质和光学谐振腔组成，最简单的激光器结构图如图1.4所示。图1.4激光器结构图激励能源将工作物质中的粒子从基态转化到高能态，从基能级转移到高能级，和工作物质共同实现粒子数反转，便于工作物质内粒子在能级间发生跃迁，且受激辐射占主导地位。光学谐振腔是使光在两反射镜间不断反射，来产生和维持光振荡，延长工作物