二、激光产生的原理

白炽灯、日光灯、高压脉冲氙灯、激光灯的发光现象，都是光源系统中原子（或分子、离子）内部能量变化的结果。原子的能级结构是发光现象的物质基础，激光的产生，不外乎通过以下几个过程和步骤：

（一）激发

一般原子系统中，绝大多数的原子不是处于低能级的基态，而是处于高能级的激发状态的原子数目，相比之下是非常少的。例如：在室温（27～28℃）的情况下，红宝石晶体中处于基态的铬离子数目为激发态的10³⁰倍，因此，红宝石铬离子基本上是处于基态的。如果要使这些处于基态的粒子产生辐射作用，首先必须把这些基态上的粒子激发到高能级去，从低能级到高级去的这一过程称为激发或抽运。这个吸收能量的过程，称做光的受激吸收（图4-26-4）。激发的方法很多，主要是给基态粒子外加一定能量，例如光照、电子碰撞、分解或化合以及加热等。基态粒子吸收能量后即被激发，例如红宝石激发器就是脉冲氙灯照射的方法施加光能,使铬离子从基态激发到高能级的激发态上。又如氦－氖激光器通过电子与氦原子碰撞，使氦原子获得能量。氦原子通过碰撞又将能量传给氖原子，氖原子获得能量后从基态激发到高能级去。化学激发器是用分解或化合的方法作为激发能源。

图4-26-4 激光（吸收能量）

由于原子内部结构的不同，在相同的外界条件下，原子从基态被激发到各个高能级去的可能性是不一致的。通常把原子从基态激发到某一能级上去的可能性，叫做该能级的“激发机率”。各能级的激发机率是不同的，有的很大，有的很小，这种机率取决于物质自身的性质。

（二）辐射

原子（或分子、离子）总是力图使自己的能量状态处于基态上，被激发到高能级后的粒子，力图回到基态上去，与此同时放出激发时所吸收的能量。基态是粒子能量最平衡最稳定的状态，从高级回到低能级去的过程称为跃迁，跃迁时释放的能量即辐射。跃迁的形式有以下几种：

1. 自发跃迁　不受外界能量的影响，只是由于原子内部运动规律所导致的跃迁称为自发跃迁。这种跃迁释放能量的形式又有两种：一种是变为热运动释放能量，叫做无辐射跃迁；另一种是以光的形式将能量辐射出来，叫做自发辐射跃迁（图4-26-5）。自发辐射出来的光频率γ，由发生跃迁的两能级间之能量差所决定。

图4-26－5　自发辐射（释放能量）

普通光源如白炽灯、日光灯、高压水银灯、氙灯等都是通过自发跃迁辐射产生光，这种光是非相干光。

2. 受激跃迁　由于入射光子的感应或激励，导致激发原子从高能级跃迁到低能级去，这个过程称为受激跃迁或感应跃迁。这种跃迁辐射叫做“受激辐射”。受激辐射出来的光子与入射光子有着同样的特征，如频率、相位、振辐以及传播方向等完全一样。这种相同性就决定了受激辐射光的相干性。入射一个光子引起一个激发原子受激跃迁，在跃迁过程中，辐射出两个同样的光子，这两个同样的光子又去激励其它激发原子发生受激跃迁，因而又获得4个同样的光子。如此反应下去，在很短的时间内，辐射出来大量同模样、同性能的光子，这个过程称为“雪崩”。雪崩就是受激辐射光的放大过程。受激辐射光是相干光，相干光有叠加效应，因此合成光的振幅加大，表现为光的高亮度性（图4-26-6）。

图4-26－6　受激辐射（释放能量）

激发寿命与跃迁机率取决于物质种类的不同。处于基态的原子可以长期的存在下去，但原子激发到高能级的激发态上去以后，它会很快地并且自发地跃迁回到低能级去。在高能级上滞留的平均时间，称为原子在该能级上的“平均寿命”，通常以符号“τ”表示。一般说，原子处于激发态的时间是非常短的，约为10^－8秒。

激发系统在1秒内跃迁回基态的原子数目称为“跃迁机率”，通常以“A”表示。大多数同种原子的平均跃迁机率都有固定的数值。跃迁率A与平均寿命τ的关系：

A＝1/τ

由于原子内部结构的特殊性，决定了各能级的平均寿命长短不等。例如红宝石中的铬离子E₃的寿命非常短，只有10^－9秒，而E₂的寿命比较长，约为数秒。寿命较长的能级称为“亚稳态”。具有亚稳态原子、离子或分子的物质，是产生激光的工作物质，因亚稳态能更好地为粒子数反转创造条件。

（三）粒子数反转和激光的形成

当光子通过某一介质时，它可能被原子（或离子、分子）所吸收，从而使原子从低能级激发到高能级去，这个过程称为“共振吸收”或称光的受激吸收。另外，入射光也能引起处于高能级的原子发生受激辐射。

在一般情况下，处于低能级的原子数目远远超过处于高能级的原子数目。要想得到受激辐射，就必须先使原子（或离子、分子）激发到高能级去。人为地施加一定能量，使高能级上具有较多的粒子数分布，这种状态称为“粒子数反转”。产生粒子数反转的物质就称为活性物质。如何实现粒子数反转，下面以红宝石激光器为例加以说明。

红宝石激光器的激发是通过氙灯输送能量。E₁、E₂、E₃是铬离子相对应的三个能级，使铬离子从基态E₁激发到共振吸收带E₃上去，形成了E₃对E₂粒子数反转（图4-26-7（1））。但是由于E₃的寿命很短（即自发跃迁机率很大），因此铬离子的能级就很快地并且以无辐射跃迁的形式落入E₂中，同时放出热能。E₂是寿命较长的亚稳态，跃迁机率较小，因此E₂就积聚了大量的铬离子。当氙灯光足够时，则E₂上的粒子（铬离子）数就大为增加，此时E₂对E₁来说就出现了粒子数反转（图4-26-7（2））。若用E₂与E₁间跃迁相对应频率[γ＝（E₂-E₁）/h]的光子引发时，上述活性系统就可产生E₂对E₁的受激辐射。受激辐射可以使光放大，这种放大是由于该系统受激发时从外部吸收的能量和引发的能量一举放出的结果，如图4-26-8所示。

图4-26-7 粒子数反转

处于粒子数反转状态的活性系统，可以产生“雪崩”。雪崩过程可以使光再次放大。该过程的继续进行，必须通过一定的装置，这种装置就是光学共振腔。从共振腔中持续发出来的、特征完全相同的大量光子就是激光。

（四）光学共振腔

激光所以具有良好的单色性、方向性以及较高的亮度，主要是取决于光学共振腔的作用。于工作物质的两端加上两快相互平行的反光镜，其中一块是全反射镜，另一块是半反射镜，这就是光学共振腔的主要结构（图4-26-9）。

在光学共振腔中的活性物质，受到外加能量的激励而产生的光子可以射向各个方向，但其中传播方向与反射镜垂直者，则在介质中来回反射振荡。在反射振荡的过程中，引发介质中其它活性物质点受激辐射，因此这种辐射的强度越来越大。由于受激辐射反复振荡产生的大量光子都具有相同的特征和一致的传播方向，因此决定了激光具有良好的单色性和准直的定向性。又由于光子来回不断地进行振荡，辐射强度借以得到极度的增大，因此又保证了激光的高度性。激光在光学共振腔中形成的过程如图4-26-10所示。

图4-26-8　光的吸收与放大

图4-26-9　光学共振腔示意图