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激光原理

時間:2018年04月14日碼清:激光網絡碼清激光:碼清激光氣動:打碼機
使N2>N1, 激光 激光 這種狀態稱爲粒子數反轉狀態。在這種情況下,受激發射躍遷占優勢。光通過一段長爲l 的處于粒子數反轉狀態的激光工作物質(激活物質)後,光強增大eGl倍。G爲正比于
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(或者簡單地表述爲處在某一個能級上)。與光子相互作用時,

粒子從一個能級躍遷到另一個能級,並相應地吸收或輻射光子。光子的能量值爲此兩能

級的能量差△E,頻率爲ν=△E/h(h爲普朗克常量)。
1.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。這種躍遷稱爲受激吸收

2.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

基态(E1)跃迁,同时辐射出能量为(E2-E1)的光子,光子频率 ν=(E2-E1)/h。这

種輻射過程稱爲自發輻射。衆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幹光。
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

跃迁到较低能级。他指出当频率为 ν=(E2-E1)/h的光子入射时,也会引发粒子以一定

的概率,迅速地從能級E2躍遷到能級E1,同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態

以及傳播方向都相同的光子,這個過程稱爲受激輻射。
可以设想,如果大量原子处在高能级E2上,当有一个频率 ν=(E2-E1)/h的光子入射,

從而激勵E2上的原子産生受激輻射,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,又使其産生受激輻射,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産生並被放大的光就是激光。
愛因斯坦1917提出受激輻射,激光器卻在1960年問世,相隔43年,爲什麽?主要原因是

,普通光源中粒子産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
激光
激光
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,稱爲粒子數反轉分布,簡稱粒子數反轉。如何從技術上實現粒子數反轉是産

生激光的必要條件。
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

布居數密度爲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。受激發射躍遷所産生的受激發射光,與入射光具有相同的頻率、相位、傳

播方向和偏振方向。因此,大量粒子在同一相幹輻射場激發下産生的受激發射光是相幹

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,所以自發吸收

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,
激光
激光
這種狀態稱爲粒子數反轉狀態。在這種情況下,受激發射躍遷占優勢。光通過一段長爲l

的處于粒子數反轉狀態的激光工作物質(激活物質)後,光強增大eGl倍。G爲正比于

(N2-N1)的系數,稱爲增益系數,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産生

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),則可産生自激振蕩。原子的運動

狀態可以分爲不同的能級,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)。
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