激光产生的原理

1、第一章是激光产生的原理。首先，自然界物质的发光过程需要两个过程，即受激吸收过程和自发辐射过程。1.吸收过程当物质受到光能、热能和电能等外部能量的影响时，原子中的电子将吸收外部能量(如光子)并从低轨道跃迁到高轨道，或者处于低能量状态的粒子将吸收外部能量并跃迁到高能量状态。因为吸收过程是在外来光子的激发下产生的，所以它被称为“受激吸收”。受激吸收的特征是：必须有外部光子(或其他能量)“刺激”，并且该外部光子的能量必须是：h =en-E0 (n=1，2，3.)，其中E0颗粒在吸收外部能量之前，而EN颗粒在吸收之后，h=6.6310-34Js，2。在自发辐射过程中被激发到高能级的粒子是不稳定的，它们只

2、能在高能级停留很短的时间，大约十亿分之一秒，然后立即移动到低能级。这一过程在没有外部效应的情况下是完全自发的，因此被称为“自发跃迁”。在粒子的自发跃迁过程中，最初吸收的能量应该被释放，释放的能量值为e=en-E0。释放的能量被转换成热能并传递给其他粒子。这种转变被称为“非辐射转变”，当然不会产生光子。另一种是以光的形式释放能量(称为自发发射跃迁)，即向外辐射光子，从而产生光。自发发射过程发射的光子的频率由跃迁前后两个能级之间的能量差决定，即：可以看出，两个能级之间的能量差越大，自发发射过程发射的光子的频率越高。就像弹钢琴一样，如果你用力拉紧琴弦，钢琴的音高频率就会变高，否则就会变低。自发发射光

3、非常普遍，普通光源的发射包括受激吸收和自发发射过程。前一个过程是由于吸收外部能量，粒子被激发到高能状态。后一个过程是高能粒子自发地转换回低能态，同时辐射光子。当外界不断提供能量时，粒子会继续被吸收激发为自发发射，再被吸收激发，再自发发射.这个循环还在继续。每个周期，都会发射一个光子，从而产生光。以电灯为例：接通电源后，电流通过灯泡中的发光物质钨丝。钨丝被加热，这使得钨原子转变为高能态，然后自发地转变回低能态，同时辐射光子，因此灯泡点亮。自发辐射的特征在于：由于物质(发光体)中的每个粒子被独立地激发到高能量状态，并在彼此没有任何联系的情况下转变回低能量状态，所以每个粒子在自发辐射过程中产生的光子

4、没有统一的步长，不仅光子发射的时间有开始，而且波长有长度和短长度，并且传播方向也不相同。因为自发发射光是由许多杂乱无章的光子组成的，所以我们通常看到的光是杂散光，包含许多波长成分(即多种颜色)，并且向各个方向发射。阳光、灯光、火光和其他普通光都是自发发射光。第二，受激辐射“激发”激光粒子从高能态到低能态的转变，这不仅是自发进行的。高能态的粒子可以不受外界因素的影响而自发地跃迁到低能态，也可以在外界因素的诱导和刺激下跃迁到低能态，在跃迁过程中还会向外辐射光子。因为后一个过程是“受激的”，所以它被称为“受激辐射”过程。受激辐射过程的特征在于外来光子必须有一个“刺激”，并且只有当外来光子的频率完全符

5、合下面的公式时：当粒子处于高能级EN时，才会跃迁到低能级e简而言之，输入是外来光子，输出是与外来光子具有相同性质的两个光子，因为两个光子的输出，一个是外来光子本身，另一个是在受激辐射过程中释放的，受激辐射是由外来光子“刺激”的。一个光子激发一个粒子产生受激辐射，获得两个相同的光子，这就是光的“放大”。这两个光子激发这两个粒子产生受激辐射，并且可以获得相同的四个光子。4，8，16.如果连锁反应是这样的，相同光子的数量将会增加。因此，受激辐射过程也是光放大的过程。受激辐射过程中产生和放大的光是激光。激光和普通光既有相似之处，也有不同之处。相同的是，这两种光在本质上没有区别，它们都是电磁波和粒子流，

6、具有波粒二象性。区别在于普通光是一种混乱的混合光，而激光是频率、方向和相位极其一致的“纯”光。根据光学理论，两个光束相干的条件是相同的频率、相同的振动方向、相同的相位或恒定的相位差。显然，受激辐射产生的激光是相干光，而普通光是非相干光。3.思考和练习1。物质发光的两个过程是什么？1.在受激辐射过程中，外来光子的频率应该满足什么关系？什么是光的“放大”？激光和普通光有什么异同？第二章是关于产生激光的三种激光器结构。我们称之为激光。前面的介绍已经告诉我们，自发辐射显然是不成形的激光，受激辐射只是激光产生的理论基础。为了激发激光，我们还必须采取措施创造必要的物质条件。(1)激发源粒子重定位的原动力(

7、1)粒子数正态分布的激光在受激辐射中产生，这要求粒子处于高能态。然而，在正常情况下，物质中的绝大多数粒子处于稳定状态(稳态)，因为在正常热平衡条件下，粒子有从高能级自发过渡到低能级的趋势，因此，低能级的电子数比高能级的多得多。能量状态越高，粒子数量越少。这时，粒子的分布规律就像一个金字塔。下部大，上部尖。粒子越高，数量越少。也就是说；在热平衡条件下，低能级的粒子数总是大于高能级的粒子数，所以受激吸收总是占优势，这就是所谓的“粒子数正态分布”。在这种情况下，因为在实验中很难观察到单个粒子是受激吸收还是受激辐射，所以只能观察到这两个过程的宏观结果。因此，只能看到主导粒子系统的吸收现象，而不能观察到

8、受激辐射。对于普通光源，如电灯和高压汞灯，情况也是如此。也就是说，在“粒子数正态分布”的条件下，无论你有多兴奋，你都无法得到激光。为了产生受激辐射，有必要改变粒子的总体分布状态，并且“极大地移动粒子”，以将处于低能状态的粒子移动到高能状态，使得处于高能状态的粒子数量大于处于低能状态的粒子数量。因为它与粒子数的正态分布相反，所以被称为粒子数的逆分布。在这种状态激光理论中，有一个统一的名称“粒子数反转”或“粒子数反转”。粒子数反转的粒子系统是不稳定的。如果此时有一个合适的诱导光子来刺激它，就会产生受激辐射和激光。可以看出，粒子数的反转是激光产生的先决条件。一种用于携带粒子的工具如果光泵想要将低能量

9、状态的粒子发送到高能量状态，它必须具有通过该工具实现的外力。这个过程类似于将河水或水位很低的井水抽到水面上的水库因为它的作用原理与水泵抽水的原理相似，所以能把大量粒子从低能态泵送到高能态的激发装置通常被称为“光泵”。4、阈值和激发模式“光泵”只是用来解释粒子数反转的图像。事实上，这些粒子处于低能状态，而且很顽固。它们不像水一样容易被抽走。尽管花了很大力气将其中一些泵到高能状态，但它们很快就自发地跳回到低能状态。我们做什么呢我们需要不断增加能量来轰炸。也就是说，激励不仅要快，而且要强。激发总是通过消耗一定量的能量来实现的。产生受激辐射所需的最小激发能量被定义为激光器的阈值(阈值，即阈值的含义)。

10、阈值是描述激光器整体性能的一个重要参数。第二，激光产生的内在原因在干燥世界的工作介质中，各种物质都是由分子、原子、电子和其他微观粒子组成的。如果有很强的激励，物质中的粒子数量能反转产生激光吗？不，激发只是一个外部条件，激光的产生取决于适当的工作物质，也称为激光的工作介质，这是激光产生的内部原因。我们上面提到的都是以两能级系统为例来讨论的，也就是说，工作物质只有两个能级，高和低。事实上，所有实现的激光辐射是一个三能级或四能级系统。下图是红宝石激光器铬离子(Cr3)的简化能级图，这是一个典型的三能级系统。在图中所示的E1、E2和E3，E2是一个亚稳态。外部激发将把粒子从E1泵送到E3，而被泵送到E

11、3的粒子将通过非辐射跃迁迅速转移到E2，因为E3的寿命只有10-9秒，即10亿分之一秒，而且粒子不允许停留很长时间，所以这个过程非常快。然而，E2的亚稳态具有大约10-3秒的长寿命，即千分之一秒，允许粒子停留很长时间。由于E1上的粒子被连续泵送到E3并迅速转移到E2，由于E2允许粒子停留很长时间，所以从E2到E1的自发辐射跃迁的概率非常小，因此粒子在E2上积累，从而实现E2和E1能级之间的粒子数反转。该系统可以放大具有感应光子能量HV=E2-E1的光。显然，E2能级就像水塔上的蓄水池，可以储存大量的粒子。只有亚稳态才有这种能力，但不是所有的发光物质都有亚稳态结构。这就是为什么有些物质能“激发”

12、激光，而有些物质不能。因此，具有亚稳态能级结构是产生激光的工作物质的最低要求。3、谐振腔激光振荡放大器适用于工作物质，实现了粒子数激发源的反转，现在“激发”出了激光！还没有，因为人们已经在实验中发现，虽然受激辐射可以以这种方式产生，但它太弱，无法形成可供人们使用的激光。这自然使人们想到用放大的方法来解决这个问题，于是光学谐振腔出现了。从而出现了光学谐振腔。也就是说，通过使用两个面对面的反射镜，放大的光在反射镜之间来回反射，重复穿过反射镜之间的介质并被连续放大，即反馈放大。这两个镜子可以是平面的或球形的。其中一个要求是反射率为100%的全反射器，另一个要求是部分反射器。例如，当反射率为95%时，

13、5%的光被透射出去用于人类应用，从而形成光学谐振腔。因为它的侧面是开放的，所以也被称为“开放腔”。当激光介质放置在两个反射镜之间时，可以形成激光振荡器。当放置在两个反射镜之间的激光介质被强外部光激发时，粒子数的反转在亚稳态和稳态之间实现。当处于亚稳态的粒子自发跃迁到低能级时，它们会自发发射光子，但这种发射是不规则的，并且向各个方向发射，其中一些可以从处于激发态的粒子中诱导出受激辐射。从图中可以看出，尽管在非腔轴方向上的自发辐射也可以诱导处于激发态的粒子产生光放大，但是由于介质的有限体积，腔侧是开放的，并且最终将从腔中逸出。因此，激光产生的效果并不大。只有沿着腔轴的自发辐射是有效的。每当它接触到镜面时，它被反射并沿着原始路径折回，并再次穿过介质以连续地诱导处于激发态的粒子产生受激辐射光放大。当受激辐射在腔镜之间来回传播时，介质被重复利用，并且腔轴方向上的受激辐射变得越来越强