激光產(chǎn)生原理

1、激光產(chǎn)生原理激光產(chǎn)生原理了解激光產(chǎn)生原理，我們必先了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，與激光的輻射和吸收的原理。圖一碳原子示意圖物質(zhì)由原子組成。圖一是一個(gè)碳原子的示意圖。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布滿著帶負(fù)電的電子，繞著原子核運(yùn)動。有趣的是，電子在原子中的能量并不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們，這些電子會處于一些固定的「能階」，不同的能階對應(yīng)于不同的電子能量。為了簡單起見，我們可以如圖一所示，把

2、這些能階想象成一些繞著原子核的軌道，距離原子核越遠(yuǎn)的軌道能量越高。此外，不同軌道最多可容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道(也是最近原子核的軌道)最多只可容納2個(gè)電子，較高的軌道則可容納8個(gè)電子等等。事實(shí)上，這個(gè)過份簡化了的模型并不是完全正確的[1]，但它足以幫助我們說明激光的基本原理。電子可以透過吸收或釋放能量從一個(gè)能階躍遷至另一個(gè)能階。例如當(dāng)電子吸收了一個(gè)光子[2]時(shí)，它便可能從一個(gè)較低的能階躍遷至一個(gè)較高的能階(圖二a)。同樣地，

3、一個(gè)位于高能階的電子也會透過發(fā)射一個(gè)光子而躍遷至較低的能階(圖二b)。在這些過程中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。圖二原子內(nèi)電子的躍遷過程電子長時(shí)間留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵，因?yàn)樗雇高^受激輻射由亞穩(wěn)態(tài)回到基態(tài)的原子，比透過自發(fā)吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證了介

4、質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，以輸出激光。圖五圖五普通燈光與激光的比較普通燈光與激光的比較激光透過受激輻射產(chǎn)生，有以下三大特性(圖五)﹕1.?激光是單色的，在整個(gè)產(chǎn)生的機(jī)制中，只會產(chǎn)生一種波長的光。這與普通的光不同，例如陽光和燈光都是由多種波長的光合成的，接近白光。2.?激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它們迭加起來便產(chǎn)生很大的強(qiáng)度。而在日常生活中所見的光，它們的相和偏振是隨機(jī)的，相對于激光，這些光就弱得多了。3.?激光的光束很狹窄

5、，并且十分集中，所以有很強(qiáng)的威力。相反，燈光分散向各個(gè)方向轉(zhuǎn)播，所以強(qiáng)度很低。以能量劃分，激光可大致可分為三類，第一類是低能量激光，這類激光通常以氣體為激光介質(zhì)，例如在超級市場中常用的條形碼掃描儀，就是用氦氣和氖氣作為激光介質(zhì)的；第二類是中能量激光，例如在課堂上用的激光指示器；最后一類為高能量激光，一般用半導(dǎo)體作為激光介質(zhì)，輸出的功率可高達(dá)500mW。用于熱核聚變實(shí)驗(yàn)的激光可發(fā)射出時(shí)間極短但能量極高的激光脈沖，其脈沖功率竟可達(dá)10^14