激光產(chǎn)生基本原理

激光產(chǎn)生基本原理

激光基本原理

一、

激光產(chǎn)生原理

1、普通光源的發(fā)光——受激吸收和自發(fā)輻射

普通常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等地發(fā)光）是由于物質(zhì)在受到外來(lái)能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電子就會(huì)吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過(guò)程是一個(gè)“受激吸收”過(guò)程。處在高能級(jí)（E2）的電子壽命很短（一般為10－8～10－9秒），在沒有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)（E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為

hυ=E2-E1

這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過(guò)程完全是一種隨機(jī)過(guò)程，各發(fā)光原子的發(fā)光過(guò)程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無(wú)規(guī)則的射向四面八方，另外未位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。

在通常熱平衡條件下，處于高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度N2，遠(yuǎn)比處于低能級(jí)的原子數(shù)密度低，這是因?yàn)樘幱谀芗?jí)E的原子數(shù)密度N的大小時(shí)隨能級(jí)E的增加而指數(shù)減小，即N∝exp(-E/kT)，這是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為

N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}

式中k為波耳茲曼常量，T為絕對(duì)溫度。因?yàn)镋2>E1，所以N2《N1。例如，已知?dú)湓踊鶓B(tài)能量為E1＝－13.6eV，第一激發(fā)態(tài)能量為E2=-3.4eV，在20℃時(shí)，kT≈0.025eV，則

N2/N1∝exp（－400）≈0

可見，在20℃時(shí)，全部氫原子幾乎都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光，必須外界提供能量使原子到達(dá)激發(fā)態(tài)，所以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)輻射兩個(gè)過(guò)程。一般說(shuō)來(lái)，這種光源所輻射光的能量是不強(qiáng)的，加上向四面八方發(fā)射，更使能量分散了。

2、受激輻射和光的放大

由量子理論知識(shí)知道，一個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)電子的一個(gè)能量狀態(tài)。電子能量由主量子數(shù)n(n=1,2,…)決定。但是實(shí)際描寫原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除能量外，還有軌道角動(dòng)量L和自旋角動(dòng)量s，它們都是量子化的，由相應(yīng)的量子數(shù)來(lái)描述。對(duì)軌道角動(dòng)量，波爾曾給出了量子化公式Ln＝nh，但這不嚴(yán)格，因這個(gè)式子還是在把電子運(yùn)動(dòng)看作軌道運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上得到的。嚴(yán)格的能量量子化以及角動(dòng)量量子化都應(yīng)該有量子力學(xué)理論來(lái)推導(dǎo)。

量子理論告訴我們，電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)只能發(fā)生在l（角動(dòng)量量子數(shù)）量子數(shù)相差±1的兩個(gè)狀態(tài)之間，這就是一種選擇規(guī)則。如果選擇規(guī)則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級(jí)，一旦電子被激發(fā)到這種能級(jí)上時(shí)，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，可使它在這種能級(jí)上的壽命很長(zhǎng)，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級(jí)上。這種能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。但是，在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級(jí)，并放出光子。這種過(guò)程是被“激”出來(lái)的，故稱受激輻射。

受激輻射的概念世愛因斯坦于1917年在推導(dǎo)普朗克的黑體輻射公式時(shí)，第一個(gè)提出來(lái)的。他從理論上預(yù)言了原子發(fā)生受激輻射的可能性，這是激光的基礎(chǔ)。

受激輻射的過(guò)程大致如下：原子開始處于高能級(jí)E2，當(dāng)一個(gè)外來(lái)光子所帶的能量hυ正好為某一對(duì)能級(jí)之差E2-E1,則這原子可以在此外來(lái)光子的誘發(fā)下從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn)，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個(gè)光子，就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子。這意味著原來(lái)光信號(hào)被放大這種在受激過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。

聚大量原子，所以要達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，要有相當(dāng)強(qiáng)的激勵(lì)才行。

三、激光器的種類

對(duì)激光器有不同的分類方法，一般按工作介質(zhì)的不同來(lái)分類，在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功率大小分類。

1、固體激光器

一般講，固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。這種激光器的工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價(jià)釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)109W。

2、氣體激光器

氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點(diǎn)。工作物質(zhì)主要以氣體狀態(tài)進(jìn)行發(fā)射的激光器在常溫常壓下是氣體，有的物質(zhì)在通常條件下是液體（如非金屬粒子的有水、汞），及固體（如金屬離子結(jié)構(gòu)的銅，鎘等粒子），經(jīng)過(guò)加熱使其變?yōu)檎魵猓眠@類蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器，統(tǒng)歸氣體激光器之中。氣體激光器中除了發(fā)出激光的工作氣體外，為了延長(zhǎng)器件的工作壽命及提高輸出功率，還加入一定量的輔助氣體與發(fā)光的工作氣體相混合。

氣體激光器大多應(yīng)用電激勵(lì)發(fā)光，即用直流，交流及高頻電源進(jìn)行氣體放電，兩端放電管的電壓增壓時(shí)可加速電子，帶有一定能量，在工作物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的電子與粒子（氣體的原子或分子）碰撞時(shí)將自身的能量轉(zhuǎn)移給對(duì)方，使分子或原子被激發(fā)到某一高能級(jí)上而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光。氣體激光器與固體激光器相比較，兩者中以氣體激光器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單得多，造價(jià)較低，操作簡(jiǎn)便，但是輸出功率常較小。因氣體激光器中的工作物質(zhì)不同。因此分中性（惰性）原子、離子氣體、分子氣體三種激光器。

3、半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固。常用材料有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式。半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。這種激光器的特點(diǎn)是體積小，能耗低，功率低（因此對(duì)人眼相對(duì)安全一些），能在常溫下運(yùn)行。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光的概念是1963年由克勒默提出的，其要點(diǎn)如下：處于反轉(zhuǎn)態(tài)的載荷子集中在帶隙更小的薄層里，這一薄層像三明治一樣嵌插在高帶隙的各層之間，形成活性區(qū)。這些被激發(fā)的載荷子的密度變得越來(lái)越比摻雜的區(qū)域高。光子都限制在這一活性區(qū)內(nèi)，帶隙低而折射率高。異質(zhì)結(jié)構(gòu)就像光導(dǎo)管一樣工作，在高帶隙的區(qū)域內(nèi)光損失可以忽略不計(jì)。于是，引起激光效應(yīng)的反轉(zhuǎn)載流子和光子都集中在活性區(qū)里。這樣就有可能在不加冷卻的情況下大大降低閾電流并且實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作?？死漳€建議基極采用斜坡式的能隙，以取代結(jié)上出現(xiàn)能隙的突變。

在這個(gè)理論的引導(dǎo)下，1970年雙異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體激光器終于實(shí)現(xiàn)了室溫下連續(xù)運(yùn)行。如今異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器在得到廣泛應(yīng)用，可以說(shuō)我們常見的激光器，包括本文論及的多媒體設(shè)備中使用到的激光光源，絕大部分都是這種激光器?？死漳救艘惨?yàn)樵诎雽?dǎo)體技術(shù)方面的出色研究獲得了2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

4、液體激光器

常用的是染料