激光的產(chǎn)生

激光的產(chǎn)生當(dāng)一定頻率的光輻射通過(guò)適當(dāng)選擇的介質(zhì)時(shí)，能使介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布并使光輻射得到放大。設(shè)計(jì)這種裝置，使光輻射在介質(zhì)中來(lái)回傳播而反復(fù)放大，最后以高亮度、高單色性和高方向輸出，這便是激光。常用的激光器由三部分組成，即工作物質(zhì)、諧振腔和激勵(lì)能源（見(jiàn)圖2-3）。其中工作物質(zhì)（又稱激活介質(zhì)）的作用，是提供亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，對(duì)受激輻進(jìn)行放大。下面說(shuō)明激光器各部分的工作原理。一、激活介質(zhì)中粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布的實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同種類的激光器，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的具體方法是不同的，但都可以用圖2-4所概括的基本過(guò)程來(lái)說(shuō)明。在圖2-4（a）中，E1為基態(tài)，E3和E2為激發(fā)態(tài)，其中E2為亞穩(wěn)態(tài)，粒子在E2上的壽命比粒子在E3上的壽命要長(zhǎng)得多。一般激發(fā)態(tài)的壽命在1011108s之間，而亞穩(wěn)態(tài)的壽命長(zhǎng)達(dá)103s，甚至1s。在外界能源（電源或光源）激勵(lì)下，基態(tài)E1上的粒子是被抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3上，因而E1上的粒子數(shù)N1減小。由于E3態(tài)的壽命很短，粒子將通過(guò)碰撞很快地以無(wú)輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2上。由于E2態(tài)壽命長(zhǎng)，其上就積累了大量粒子，即N2不斷增加。一方面是N1減少，另一方面是N2增加，以致N2大于N1，于是實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E1間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。利用處在這種狀態(tài)下的激活物質(zhì)制成放大器，當(dāng)有外來(lái)光訊號(hào)輸入時(shí)，其中頻率為v = (E2E1 ) / h的光就被放大。紅寶石激光器發(fā)射的6943譜線，就是紅寶石晶體中鉻離子（Cr3+）的亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所造成的受激發(fā)射。直接造成亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是比較困難的，這是因?yàn)闊崞胶鈺r(shí)基態(tài)幾乎集中了全部粒子，只有當(dāng)激勵(lì)能源很強(qiáng)，進(jìn)行快速抽運(yùn)，才可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。是否可以使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的下能級(jí)E1 不在基態(tài)，而在激發(fā)態(tài)，這個(gè)設(shè)想現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，很多激光器，例如He-Ne、CO2等激光器的激活介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的兩個(gè)特定能級(jí)中，下能級(jí)E1 不是基態(tài)，而是激發(fā)態(tài)，如圖2-5（b）所示。激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)本來(lái)就很少，只要亞穩(wěn)態(tài)E2上稍有粒子積累，就較容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)E3上的粒子向E2 轉(zhuǎn)移得越快，以及當(dāng)E1 上的粒子向基態(tài)E0 過(guò)渡得越快，則工作效率就越高。不論三能級(jí)圖或四能級(jí)圖，都表明要出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須內(nèi)有亞穩(wěn)態(tài)，外有激勵(lì)能源，粒子的整個(gè)輸運(yùn)過(guò)程必定是一個(gè)循環(huán)往復(fù)非平衡平程。激活介質(zhì)的作用就是提供亞穩(wěn)態(tài)。所謂三能級(jí)圖或四能級(jí)圖，并不是激活介質(zhì)的實(shí)際能級(jí)圖，它們只是對(duì)造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的整個(gè)物理過(guò)程的抽象概括。實(shí)際能級(jí)圖要比它們復(fù)雜，而且一種激活介質(zhì)的內(nèi)部，可能同時(shí)存在幾對(duì)特定能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，相應(yīng)地發(fā)射幾種波長(zhǎng)的激光，例如He-Ne激光器就可以發(fā)射6328，1.15m，3.39m等多種波長(zhǎng)的激光。又如握氬離子（Al+）激光器，能輸出很多波長(zhǎng)的激光，其中最強(qiáng)的是4800 （藍(lán)光）和5145 （綠光），這兩個(gè)波長(zhǎng)目前在激光彩色電視中選為基色。二、增益系數(shù)正如介質(zhì)對(duì)光的吸收能力用吸收系數(shù)來(lái)描述一樣，介質(zhì)對(duì)光的放大能力同增益系數(shù)（簡(jiǎn)稱增益）G來(lái)描寫(xiě)。如圖2-5所示，當(dāng)一束光射入介質(zhì)后，設(shè)它在x處的光強(qiáng)為I，到達(dá)x + dx的地方，光強(qiáng)變?yōu)镮 + dI。在吸收的情況下，dI I1，即光在諧振腔內(nèi)往返振蕩的過(guò)程中不斷增強(qiáng)；若，則I5 Gm時(shí)光強(qiáng)也不會(huì)無(wú)限制地增長(zhǎng)下去，因?yàn)殡S著光強(qiáng)的增大，激活介質(zhì)的實(shí)際增益將下降，當(dāng)G下降到等于Gm值時(shí)，光強(qiáng)即達(dá)穩(wěn)定。總之，考慮到激光器中光能的損耗，對(duì)激活介質(zhì)的增益有一個(gè)最低的要求。閾值條件是繼粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件之后的又一個(gè)產(chǎn)生激光的必要條件。盡量減少不必要的損耗，就可以降低閾值，這在實(shí)際激光器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中是必須考慮的。上面所“光能的損耗”，其中包括一部分從M2透射出去的光能，這是必要的，因?yàn)檫@正是我們需要激光能量。應(yīng)當(dāng)減少的是其余一些不必要損耗，如光在激活介質(zhì)中的散射損耗等。此外，在外腔式激光器中還有激光封口的反射損耗，它通過(guò)特別設(shè)計(jì)的布儒斯特窗來(lái)減少損耗。如圖2-10所示的外腔式激光器中，諧振腔的兩個(gè)反射鏡M1和M2安置HeNe激光管的外部，以便于調(diào)節(jié)和進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。這種激光管也就多了兩個(gè)封口b1和b2，因而它比內(nèi)腔式激光器多了一重反射損耗，而且，這種損耗是不可忽略的。光束每次經(jīng)過(guò)一片玻璃封口，要發(fā)生兩次反射，光能損耗至少在8%以上。不過(guò)我們知道，光在介質(zhì)表面反射時(shí)，存在一個(gè)全偏振角（布儒斯特角）當(dāng)光線以iB角入射時(shí)，反射光中的P振動(dòng)分量為零，就是說(shuō)，對(duì)于P光，反射損耗完全被消除了，它可全部透射進(jìn)去；對(duì)于S光，它仍然有較高的反射率，反射損耗可達(dá)14%左右。所以，當(dāng)封口b1、b2按布儒斯特角iB傾斜時(shí)（叫布儒斯特窗），對(duì)于S光，由于損耗過(guò)大，壓倒了增益，從而被抑制，不能成長(zhǎng)為激光；對(duì)于P光，布儒斯特窗是完全透明的，沒(méi)有帶來(lái)新的損耗，其增益容易滿足閾值條件?？梢?jiàn)，具有布儒斯特窗的外腔式激光器對(duì)光的偏振狀態(tài)還具有選擇性，它所產(chǎn)生的激光是線偏振的，其振動(dòng)面是窗口法線與管軸組成的平面。當(dāng)然，引進(jìn)兩個(gè)窗口，由于角度誤差以及表面光潔度和清潔度的影響，總不可能使P