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(dòng)。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(huì)處于一些固定的「能階」，不同的能階對(duì)應(yīng)于不同的電子能量。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，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(guò)份簡(jiǎn)化了的模型并不是完全正確的[1]，但它足以幫助我們說(shuō)明激光的基本原理。電子可以透過(guò)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(huì)透過(guò)發(fā)射一個(gè)光子而躍遷至較低的能階(圖二b)。在這些過(guò)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(zhǎng)，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(guò)程電子長(zhǎng)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^(guò)受激輻射由亞穩(wěn)態(tài)回到基態(tài)的原子，比透過(guò)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(guò)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(huì)產(chǎn)生一種波長(zhǎng)的光。這與普通的光不同，例如陽(yáng)光和燈光都是由多種波長(zhǎng)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(lái)便產(chǎn)生很大的強(qiáng)度。而在日常生活中所見(jiàn)的光，它們的相和偏振是隨機(jī)的，相對(duì)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(jí)市場(chǎng)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