激光产生的基本原理

转：知乎-追光的少年，徐长发 （华中科技大学）。原文链接见文末。 

激光产生的原理

激光这个名词已经为大家所熟悉，激光是怎么产生的？

激光产生的基本原理要从原子的结构谈起。直到二十世纪初，人们才在实验的基础上揭开了原子结构的奥秘。

一．激光产生的原理

原子结构像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停地旋转，同时原子核也不停地自转。

原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，原子核整体所带的正电荷数量和电子整体所带的负电荷数量相等，所以一般原子对外呈中性。

就原子的质量而言，原子核集中了原子的绝大部分质量，全部电子所占的质量很小。在原子结构中，原子核只占有很小的空间，电子们绕着原子核旋转，电子的活动空间要大得多。

原子是有“内能”的，它由2部分组成：其一是电子有绕行速度，具有一定的动能；其二是带负电荷的电子与带正电荷的原子核之间有距离，存在着一定的位势能。所有电子的动能与位能之和就是整个原子的能量，称为原子的内能。

全部电子绕着原子核转动；有时离原子核近些，这些电子的能量要小些；有时离原子核远些，这些电子的能量要大些；按照远近出现的概率，人们把电子层分为不同的「能阶」；某个「能阶」上，可能频繁出现多个电子绕行，每个电子也没有固定的轨道，但这些电子都具有同一个级别的能量；「能阶」之间是相互隔离的，是按照能量级别去隔离的。「能阶」的概念既把电子按照能量分了级别，也把电子的绕行空间分为多个层次。总之，一个原子可能有多个能阶，不同的能阶对应于不同的能量；有的电子处于“低能级”上绕行，有的电子处于“高能级”上绕行。

现在，中学的物理书中都已经明确地标注出某些原子的结构特点，各电子层分布电子的规律，也标注出不同能级上的电子数目。

在一个原子体系中，电子基本上是分层运动的，有些原子处于高能级，有些处于低能级；因为原子总会受到外界环境（温度、电、磁）的影响，高能级电子不稳定，会自发跃迁到低能级，其效果可能被吸收，也可能产生特别的激励作用而出现“自发辐射”。因此在原子体系中，高能级电子跃迁到低能级时会有“自发辐射”和“受激辐射”这2种表现。

自发辐射，高能态的电子不稳定，受到外界环境（温度、电、磁）的影响，自发地迁移至低能态，多余的能量用光子形式辐射出来。这种辐射的特点是每一个电子的跃迁是独立进行的，有随机性，不同电子自发辐射的光子状态是不相同的，自发辐射光是“不相干”的状态，方向散乱。但是，自发辐射带有原子自身的特性，不同原子的自发辐射的光谱是不同的。说到这里，让人想起物理学中的一个基本知识，“任何物体都具有热辐射能力，物体具有不断吸收、发射电磁波的本领。热辐射出去的电磁波是具有一定的谱分布的，这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关”。因此，热辐射存在的原因就是原子的自发辐射。

受激辐射，高能级的电子在“适合条件的光子”的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。受激辐射的最大特点是，受激辐射产生的光子与产生受激辐射的入射光子具有完全相同的状态，是“相干”的状态，它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被“放大”了。

现在再来分析，为了获取更多更频繁的受激辐射，需要什么的条件呢？

在通常情况下，高能级的电子数目总是比低能级的电子数目少，如果想原子产生受激辐射就希望增加高能级的电子数目，于是就需要“泵浦源”，其目的就是激励更多的低能级的电子向高能级跃迁，这样高能级的电子数目就会多于低能级上的电子数，就会出现“粒子数反转”，多的高能级的电子只能停留极短的时间就会跃迁到低能级，这样，受激辐射的可能性就会增大。

当然，“泵浦源”是针对不同原子而设定的，它要让电子“共振”起来，让更多的低能级的电子向高能级跃迁。

读者基本可以明白，什么是激光？激光是怎么产生的？激光是在特定的“泵浦源”的作用下，物体的原子被“激发”出来的“光辐射”，这就是激光。

激光产生的条件

受激辐射光放大

受激辐射过程能够实现相同状态(频率、相位、振动方向及传播方向均相同)的光子数目的几何级数递增，引起光放大。一个外来光子引发大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态完全相同的光子，这种现象称为受激辐射光放大。

但是，光与原子体系相互作用时，总同时存在自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程。光是否放大要看哪种跃迁过程占优势。为了获得激光，要使得受激辐射占优势，也就是要解决两个基本矛盾：受激辐射和受激吸收的矛盾，受激辐射和自发辐射的矛盾。

激活粒子的能级系统

形成稳定的激光，必须有能够形成粒子数反转的发光粒子，称之为激活粒子，它可以是分子、原子或离子；这些激活粒子有些可以独立存在，有些则必须依附于某些材料中，为激活粒子提供寄存场所的材料，叫做基质。基质与激活粒子统称为激光工作物质。

并非各种物质都能实现粒子数反转，在能实现粒子数反转的物质中，也并非是在该物质的任意两个能级间都能实现粒子数反转。如果泵浦的粒子在激发态寿命很短，不能够在一定时间大量聚集，也是不能实现粒子数反转的。因此我们需要工作物质存在亚稳态结构，即有合适的能级系统。

能级系统首先必须要有激光上能级和激光下能级；除此之外，往往还需要有一些与产生激光有关的其他能级。通常的激光工作物质都是由包含有亚稳态的三能级结构或四能级结构的原子体系组成。

二．激光的特殊性质

激光有很多特殊的性质，人们正是利用这些特性，造就了激光在很多方面的具有特殊价值的应用。

1.定向发光

普通光源是向四面八方发光。要让普通光朝着一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜的。

激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0。001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。

2.亮度极高

在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。

激光的亮度极高，传播极远，能够照亮远距离的物体。
红宝石激光器发射的光束在月球上能产生0。02单位的照度，颜色鲜红，光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一单位的照度，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。

大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，激光的能量密度自然会高。

3.颜色极纯

光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长的光对应着一定的颜色。太阳光的波长约在0。76微米至0。4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。

日常所见的氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的颜色虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氪灯虽然只发射红光，若仔细辨认，它包含有几十种红色的光。

物理基本知识告诉我们，光的波长分布区间越窄，单色性越好。

激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。

相干性好

物理学告诉我们，两束光相遇会产生干涉现象的条件是：频率相同、振动方向相同、相位差恒定。

激光器发出的光，其频率、振动方向、相位高度一致；两种激光在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间干涉现象。所以激光是相干光。而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，是非相干光。

5.闪光时间可以极短

普通光源的闪光时间不可能很短，照相用的闪光灯，闪光时间是千分之一秒左右。脉冲激光的闪光时间很短，可达到6飞秒（1飞秒=秒）。

6.激光频率

不同激光器发射的激光，其功率有大小之别，其频率都介于红外线和紫外线之间。

三、激光器

一个激光器最基本的组成是泵浦源、谐振腔和激光工作介质。这里先简单介绍，各个部件的详细介绍将放在后面的章节中。

泵浦源：对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。可以是光激励、气体放电激励、化学激励、核能激励等。激励源的选择取决于工作物质的特点。因而不同工作物质往往需要不同的泵浦源。如对固体激光器一般采用脉冲氙灯、碘钨灯等光激励的办法，对气体激光器则用电激励方法，通过放电直接激励工作物质。此外激励源的选择也应考虑到激励效率等问题。

谐振腔：增加工作介质的有效长度，对光束方向性加以选择，选择激光频率等。光学谐振腔是决定激光器单色性、方向性、相干性等输出特性的最关键因素。更加具体的内容将在后面讨论。

工作介质：实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系。激光介质可以是气体、液体、固体和半导体，要求存在亚稳态能级。为了选择激光工作物质，必须对物质作能谱分析。在此基础上根据不同的需要进行选择。这是一个比较复杂的问题，需要考虑的问题很多，最重要的问题是一种物质是否有合适的跃迁能级，即在某两能级之间可以实现粒子数反转分布。

下面简单介绍几种激光器。

红宝石激光器：红宝石激光器是最先实现激光作用的激光器，它发出694.3nm的红色激光。其工作介质是红宝石棒，由掺铬的三氧化二铝磨制成，通过三价Cr受激辐射实现；

钇铝石榴石激光器：钇铝石榴石激光器是目前中小功率固体激光器中性能最好的一种激光器，能够发出几种波长的光。其工作物质是掺钕的石榴石棒，是四能级系统，通过三价Nd受激辐射实现。

氦氖激光器：氦氖激光器是最早制成的一种气体激光器，可以发出632.8nm、1150nm和3390nm波长的激光。它单色性好，结构简单，输出功率稳定，被广泛应用。激光谱线都是发生于氖原子的不同激发态之间，而氦原子只是起辅助作用。氖的能级结构复杂，但是也可以把它看作是四能级系统。