2020年激光产生基本原理

1、作者：旧在几作品编号 ： 2254487796631145587263GF24000022 时间: 2020.12.13激光基本原理一、激光产生原理1、普通光源的发光一一受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（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10-8? 10 9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hu=E2-El这种辐射称为自发辐射

2、。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 N-exp （-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/Nl*exp -(E2-El)/kT)式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2>E

3、1所以N2 N1。例如，己知氢原子基态能量为 EI = 13. 6eV,第一激发态能 量为 E2=-3. 4eV,在 20 °C 时，k0. 025eV,贝UN2/NI*exp (-400)心 0可见，在 20°C 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(ri=l,2,)决定。但是实际描写原子中电子

4、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Ln=nh,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 1 (角动量量子数 )量子数相差±1的两个状态之间， 这就是一种 选择规贝。 如果选择规贝不满足，贝跃迁的几率很小，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贝，可使它在这种能级上的寿命很长

5、，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 1 9 1 7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 u正好为某一对能级之差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，

6、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。粒子数如何实

7、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。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，如铭离子在高能级 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， 除铭离子外，还 有一些亚稳态能级，主要有饮离子、氛原子、二氧化 碳分子、氟离子、 氮离子等。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

8、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。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 的有掺铭刚玉、掺彼玻璃、掺枚乍乙铝 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C02气体）及

9、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，常见的有碑化镣，这类 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。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

10、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；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，

11、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，从部分 反射镜子一端输 出。按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光 学 谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸而腔等。平 凹腔 中如果凹而镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半

12、共焦腔；如果 凹面镜 的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹而腔中两块反 射球面镜 的曲率半径相同。 如果反射镜焦点都位于腔的中点， 便称为 对称共焦腔。 如果两球面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。如果光 束在腔内传播任 意长时间而不会逸出腔外，则称该腔为稳定腔，否则 称为不稳定腔。上 述列举的谐振腔都属稳定腔。用两块凸面镜组成的 谐振腔为不稳定腔。 平凹腔中如腔长太长，使凹球而的球心落在腔内， 则腔中除沿光轴的光 线外，其它方向光束经多次反射后必然会逸出腔 外，故也为不稳定腔。 对称凹面腔中，如腔长太长，使两球面球心分 别落在腔中心点靠近自身 一侧，也是一种不稳定腔。谐振腔中包含了 能实

13、现粒子数反转的激光工 作物质。它们受到激励后，许多原子将跃 迁到激发态。但经过激发态寿 命时间后又自发跃迁到低能态，放出光 子。其中，偏离轴向的光子会很 快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光 子会在谐振腔的两端反射镜之间来 回运动而不逸出腔外。这些光子成 为引起受激发射的外界光场。促使已 实现粒子数反转的工作物质产生 同样频率、同样方向、同样偏振状态和 同样相位的受激辐射。这种过 程在谐振腔轴线方向重复出现，从而使轴 向行进的光子数不断增加， 最后从部分反射镜中输岀。所以，谐振腔是 一种正反馈系统或谐振系 统。谐振腔的另一功能是对激光波型加以选择， 使输出激光具有一定 的纵模和横模以红宝石激光器为

14、例，工作物质是一根红宝石棒。红宝石是掺入 少 许 3 价铭离子的三氧化二铝晶体。实际是掺入质量比约为0. 05%的 氧化銘。由于洛离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石呈粉红色。 I960 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。两端而是一对平行平而镜，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， 用高压氤灯作“泵浦”， 利用氤灯所发出 的 强光激发铭离子到达激发态 E3,被抽运到E3上的电子很快（？ 10 -8s）通 过无辐射跃迁到E2o 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

15、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。由脉冲氤灯得到的是脉冲 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 上述銘离子从激发到发出激 光的过程中涉及到三条能级， 故称为三能 级系统。由于在三能级系统中， 下能级 E1 是基态，通常情况下积聚 大量原子，所以要达到粒子数反转， 要有相当强的激励才行。三、激光器的种类对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分 类， 在可以分为固体激光器、气体激光器、液体

16、激光器和半导体激光 器。另 外，根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光 器，其中 脉冲激光的峰值功率可以非常大，还可以按发光的频率和发 光功率大小 分类。1 、固体激光器- 般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功 率大的特 点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃 中均匀掺 入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的 还有铠铝 石榴石（YAG）晶体中掺入三价饮离子的激光器，它发射 1060nm的近 红外激光。固体激光器一般连续功率可达 100W 以上，脉 冲峰值功率可达 109Wo 2、气体激光器气体激光器具有结构简单、 造价低；操作方便；工作介质

17、均 匀， 光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的有点。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

18、或分子）碰撞时将 自身的 能量转移给对方，使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。3、半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。这种激光器 体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固。常用材料有碑化镣电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工的特点是体积小，能耗低，功率低（因此对人眼相对 在常温下运行。双异质结构激光的概念是 1963 年由克（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化ffi （InP）.硫化锌（ZnS）等。激励 方式有电注入、 分为同质结、单 激光器室温时多 作。这种激光器 安全一些），能勒默提出的， 其要点如下：处于反转态