1.原子發光的機理

1.1原子的結構

根據玻爾理論,原子由帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子組成,電子圍繞著原子核做圓周運動。電子一方面由于繞核轉動而有離開核的趨勢，另一方面又受核的正電荷吸引而有靠近核的趨勢，兩者共同作用下使電子與核之間保持一定的距離，如果沒有外界作用，這個距離保持不變。在不同的原子中，繞核運動的電子數目也不相同。

1.2原子的能級

習慣上，可以畫一條條水平線，用其高低來代表能量的大小，這樣的圖形稱為能級圖，如下圖所示。

1.3原子發光的機理

當電子在某一固定的允許軌道上運動時，并不發射光子。通常情況下，原子處于能量最低的基態。當外界向原子提供能量時，原子由于吸收了外界能量，原子內部的電子可以從低軌道躍遷到某一高軌道，即原子躍遷到某一激發態。常見的激發方式之一是原子吸收一個光子而得到能量hv。處于激發態的原子是不穩定的，經過或長或短的時間（一般為10 -8s左右），它會躍遷到能量較低的狀態，而以光子或其他方式放出能量。不論向上或向下躍遷，原子所吸收或放出的能量都必須等于相應的能級差。若吸收或放出光子，必須有hv=En-E1,其中En表示原子的高能級，E1表示基態。

2.自發輻射、受激輻射和受激吸收

2.1 自發輻射

當原子被激發到高能級E2時，它在高能級上是不穩定的，總是力圖使自己處于低能級狀態E1。處于高能級的原子自發地向低能級躍遷，并發射出一個能量為hv=E2-E1的光子，這個過程稱為自發輻射躍遷，如下圖所示。

2.2 受激輻射

在頻率為v=（E2-E1）/h的光照射（激勵）下，或在能量為hv=E2-E1的光子誘發下，處于高能級E2上的原子有可能躍遷到低能級E1，同時輻射出一個與誘發光子的狀態完全相同的光子，這個過程稱為受激輻射躍遷，如下圖所示。

2.3 受激吸收

處于低能級E1的原子，在頻率為v的光場作用（照射）下，吸收一個能量為hV21的光子后躍遷到高能級的過程稱為受激吸收躍遷，如下圖所示。

2.4 三個愛因斯坦系數之間的關系

從式（1-12）可看出：溫度越高，粒子數也越多；能級越高，粒子數越少，如上圖所示。

兩個能級粒子數之比為

3.激光產生的條件

3.1 受激輻射光放大

一個光子激發一個粒子產生受激輻射，可以使粒子產生一個與該光子狀態完全相同的光子，這兩個光子再去激發另外兩個粒子，產生受激輻射，就可以得到完全相同的四個光子，如此下去……這樣在一個入射光子的作用下，可引起大量發光粒子產生受激輻射，并產生大量運動狀態完同完全相同的光子，這種現象稱為受激輻射光放大。

由于受激輻射產生的光子都屬于同一光子態，因此它們是相干的，在受激輻射過程中產生并放大了光，便是激光。

但是光與原子體系相互作用時，總是同時存在自發輻射，受激輻射和受激吸收三種過程，一束光通過了發光物質后，光強增大還是減弱，要看哪種躍遷過程占優勢。

通常情況下，受激輻射的概率是微乎其微的，占主導優勢的是自發輻射。普通光源的相干性差正是由于絕大部分原子做自發輻射造成的。

可見，在光與原子相互作用的三種基本過程中，存在著兩種基本矛盾，受激輻射和受激吸收的矛盾，受激輻射和自發輻射的矛盾。而在正常情況下受激輻射并不占優勢而在正常情況下，受激輻射并不占優勢。想要通過受激輻射光放大過程產生激光，就必須具備克服這兩個矛盾的條件，從而確保受激輻射在三個過程中占主導地位。

3.2 集居數反轉

形成集居數反轉分布是克服受激輻射和受激吸收的矛盾的必要條件。

為了產生受激輻射就必須改變粒子的常規分布狀態。如果采取諸如用光照、放電等方法從外界不斷的向發光物質輸入能量，把處在低能級的發光粒子激發到高能級上去，便可使高能級的粒子數密度超過低能級的粒子數密度，這種狀態稱為粒子數反轉或集居數反轉，如下圖所示

只要使發光物質處于粒子數反轉的狀態，受激輻射就會大于受激吸收，當頻率為v的光束通過發光物質，光強就會得到放大，這便是激光放大器的基本原理。即便沒有入射光，只要發光物質中有一個頻率合適的光子存在，便可像連鎖反應一樣，迅速產生大量相同光子態的光子,形成激光，這就是激光器的基本原理。由此可見,形成粒子數反轉是產生激光或激光放大的必要條件。

一般來說，當物質處于熱平衡狀態時，集居數反轉是不可能的。要想使處于正常狀態的物質轉化成反轉分布狀態，必須激發低能級的原子使之躍遷到高能級，且在高能級有較長的壽命，因而必須由外界向物質供給能量，從而使物質處于非熱平衡狀態時,集居數反轉才可能實現。外界向物質供給能量，把原子從低能級激勵到高能級，從而在兩個能級之間實現集居數反轉的過程稱為泵浦(或激勵、抽運)。現有的泵浦源有多種多樣，如閃光燈氣體放電化學反應熱能、核能等。

3.3 激活粒子的能級系統

為了形成穩定的激光，首先必須有能夠形成粒子數反轉的發光粒子，稱之為激活粒子。它們可以是分子,原子或離子。這些激活粒子有些可以獨立存在，有些則必須依附于某些材料中。為激活粒子提供寄存場所的材料稱為基質，基質可以是固體或是液體。基質與激活粒子統稱為激光工作物質。

并非各種物質都能實現粒子數反轉，在能實現粒子數反轉的物質中，也并非是在該物質的任意兩個能級間都能實現粒子數反轉。要實現粒子數反轉必須有合適的能級系統。首先必須要有激光上能級和激光下能級;除此之外,往往還需要有一些與產生激光有關的其他能級。通常的激光工作物質都是由包含有亞穩態的三能級結構或四能級結構的原子體系組成。如下圖所示。

應注意，以上的三能級系統和四能級系統都是指與激光的產生過程直接有關的能級，不是說物質只具有三個或四個能級。對任何一種實際的工作物質，與激光有關的能級結構和能級躍遷特性可能是很復雜的；對于不同的工作物質，彼此又有很大的差異。

3.4 光的自激振蕩

受激輻射除了與受激吸收過程相矛盾外，還與自發輻射過程相矛盾。處于激發態能級的原子，可以通過自發輻射或受激輻射回到基態，在這兩種過程中，自發輻射是主要的。可見，即使介質已實現粒子數反轉，也未必就能實現以受激輻射為主的輻射。要解決受激輻射與自發輻射的矛盾，使受激輻射占絕對優勢，還需要利用光學諧振腔來實現光的自激振蕩，即激光振蕩。

1.光學諧振腔

激光產生起始時，介質以自發輻射為主，凡是偏離軸向傳播的自發輻射光子會很快的逸出介質。而沿著軸向傳播的自發輻射光子會不斷地引起受激輻射而得到加強，使相應的光場單色能量密度不斷增大。如果增益介質足夠長，就有可能使受激輻射躍遷概率大于自發輻射躍遷概率，從而獲得以受激輻射為主的輸出。

通常激光器并不需要采用一個很長的工作物質,而是利用光學諧振腔來解決這個問題。在工作介質的兩頭放置兩塊相互平行并與工作物質的軸線垂直的反射鏡，這兩塊反射鏡與工作介質--起，就構成一個光學諧振腔。

沿軸向傳播的光束可以在兩個反射鏡之間來回反射，被連鎖式地放大,最后形成穩定的激光束,這一過程就是光的自激振蕩，如下圖所示。兩個反射鏡，一個的反射率是100%,另一個是部分反射鏡，激光從部分反射鏡輸出。

2.振蕩條件

有了能實現粒子數反轉的工作物質和光學諧振腔，還不一定能引起自激振蕩而產生激光。因為工作物質在光學諧振腔內雖然能夠引起光放大，但諧振腔內還存在著使光子減少的相反過程，稱為損耗。損耗有多種原因，如反射鏡的透射、吸收和衍射，工作物質不均勻所造成的折射或散射等。顯然，只有當光在諧振腔內來回一次所得到的增益大于同一過程中的損耗時,才能維持光振蕩。也就是說，要產生激光振蕩,必須滿足一定的條件，這個條件是激光器實現自激振蕩所需要的最低條件，又稱閾值條件。

總結：激光工作介質通過光泵浦，實現集居數反轉，使受激輻射躍遷概率大于受激吸收躍遷概率。產生的光子在諧振腔內自激振蕩，受激輻射躍遷概率大于自發輻射躍遷概率。此時受激輻射起主導作用，激光便產生。

摘自《激光原理及應用》（第三版）

個人排版作圖。

總結

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