1、激光的基本原理一、光與物質的關系 前述過光、原子、能級和光譜。物質是由一些同類微粒組成（即原子、分子、離子）。由于這些能級處于不同的能級上，而在這些能級中，用E1及E2分別表示兩個能級量，E1所帶的能量少，屬低能級。E2所帶的能量多。為高能級。由于粒子所含的能量不同，總的來說粒子在低能級的占多數，高能級的占少數。因此在低能級（E1）中的粒子數大于高能級中（E2）的粒子數。可用圖18表示、低能級（E1E2）上粒子數的分布。粒子二能級分布圖光與物質作用有三方面（1）受激吸收 低能級E1的粒子當吸收一定頻率r21的外來光能時，粒子的能量就會增到E2E1hr21(h)表示普朗克常數），粒子就從低能級E

2、1躍遷到高能級E2上，這一過程叫做受激吸收，而外來光的能量被吸收，使光減弱。粒子進行躍遷不是自發的，要靠外來光子刺激而進行。粒子是否能吸收發來的光子，還得取決于兩個能級（E1和E2）性質和趨近于粒子的光子數的多少有關。而與其它方向。位相等方面就無任何限制。（2）自發輻射處于高能級的粒子很不穩定，不可能長時間的停留在高能級上。以氫原子為例，在高能級停留的時間只有10-8秒（粒子在高能級停留的時間為粒子的壽命，壽命長的為亞穩態能級）。因此，在高能級E2中的粒子會迅速躍遷到低能級E1上，同時以光子的形式放出能量hr21E2E1（hr21為輻射光子頻率）。這一過程不受到外界的作用時完全是自發的。所產生

3、的光沒有一定規律，相位和方向都不一致。不是單色光。我們在日常生活中也可以看到的如日光燈，高壓汞燈和一些充有氣體的燈，發光都是自發輻射的過程，這些光是向各個方向傳播。因此與受輻射發出的光，其相位和方向完全相反。這種以光的形式輻射出來的，叫做自發輻射躍遷。可是在躍遷的過程中有一些不產生光輻射的躍遷，而它們主要是以熱的運動形式消耗能量，即為無輻射躍遷。自發輻射的特點，即每一個粒子的躍遷都是自發的，孤立地進行，也就是相互獨立，彼此無聯系。產生的光子雜亂無章，無規律性。1.基能級上的粒子 2.粒子被激發到E2能級上1.處于高能級E2上的粒子 2.粒子躍遷到低能級E1上，同時發射出一干光子（3）受激輻射它

4、是與受激發吸收的相反過程。處于高能級的粒子，在某種頻率r21光子誘發下，從原來所在的能級上E2，放出與外來光子完全相同光子，此時既產生了一個光子（受激發前后共有2個光子），使原來的能量減少Ehr21。把高能級上的粒子躍遷到低能級E1上的這一過程稱做受激輻射。受激輻射的特點本身不是自發躍遷，而是受外來光子的刺激產生。因而粒子釋放出的光子與原來光子的頻率、方向傳播、相位及偏振等完全一樣，無法區別出哪一個是原來的光子，哪一個是受激發后而產生的光子，受激輻射中由于光輻射的能量與光子數成正比例，因而在受激輻射以后，光輻射能量增大一倍。以波動觀點看，設外來光子為一種波，受激輻射產生的光子為另一種波，由于兩

5、個波的相位、振動方向，傳播的方向及頻率相同。兩個波合在一起能量就增大一倍，即通過受激輻射光波被放大。外來光子量越多，受激發的粒子數越多，產生的光子越大，能量越高。1.處于高能級E2上的粒子。 2.粒子躍遷到低能級E1上，同時發射出一個光子。受激輻射時光束放大 從上可知，受激輻射及吸收同時存在于光輻射與粒子體系，是在同一整體之中相互對立的兩個方面，它們發生的可能性是同等的，這兩個方面即受激輻射與吸收哪一個占主導地位，取決于粒子在兩個能級上的分布。激光器發出的激光就是利用受激輻射而實現的，也就是在基發態的粒子數盡可能多些。以實現受激輻射。 二、粒子數反轉與光放大 在受激輻射中怎樣把粒子數提高到高能

6、級上，總的來說粒子數在能級上的分布有兩種：一種是熱平衡分布，即粒子體系（同種粒子）在熱平衡狀態下，各能級上的粒子數遵從玻耳茲曼分布：公式NiNeEi/KT，Ni為單位體積中總的粒子數，K為玻耳茲曼常數（1.38×10-6），T為絕對溫度。把兩上能級上的粒子數相比時可以看到，N2/N1e(-E2-E1)/KT，由于E2E1，而絕對T0，K是正整數，KT0因此N2N1。其主要原理是高能級上的粒子數，要比低能級的粒子數少（在受激發時）。光輻射在熱平衡狀態下的粒子體系在相互作用下，粒子體系吸收光子的數大于受激輻射產生的光子數，光吸收起主導作用。在一般的情況下觀察不到光的放大現象，但可以觀察到

7、光的吸收現象。要想實現光的放大作用，必須得把熱平衡分布倒轉過來，就可使粒子數在能級中進行另一種新的分布，即非熱平行分布。這種新的分布使高能級上粒子分布的數量大于在低能級上粒子分布的數量，即N2N1。這時受激輻射的過程大于吸收過程，從而實現光放大，一般常稱為粒子反轉分布。所謂的“反轉”，是對熱平衡分布比較而言。處于高能級被反轉上去的粒子很不穩定，常會自發在或在外加的刺激下輻射出能量，從高能級粒子躍遷到低能級上，促使粒子體系回到熱平衡分布狀態。因而可以看出，實現粒子數反轉是實現受激輻射的必要條件之一。粒子數如何實現反轉分布，涉及兩個方面：一是粒子體系（工作物質）的內結構；二是給工作物質施加外部作用

8、。所講的工作物質是指在特定條件下能使兩個能級間達到非熱平衡狀態，而實現光放大，不是每一種物質都能做工作物質。粒子體系中有一些粒子的壽命很短暫，只有10-8秒。有一部分壽命相對較長些，如鉻離子在高能級E2上壽命只不過是幾個毫秒。壽命較長的粒子數能級叫做亞穩態能級，除鉻離子外，還有一些亞穩態能級，主要有釹離子、氖原子、二氧化碳分子、氪離子、氬離子等。有了亞穩態能級，在這一時間內就可以實現某一能級與亞穩態能級實現粒子數反轉，以達到對特定頻率輻射光進行光放大。意即粒子數反轉是產生光放大的內因。那外因是什么？既對亞穩態能級粒子體系（主要工作物質）增加某種的外部作用。由于熱平衡的分布中粒子體系處于低能級的

9、粒子數，總是大于處在高能級上的粒子數，當要實現粒子數反轉，就得給粒子體系增加一種外界的作用，促使大量低能級上的粒子反轉到高能級上，這種過程被叫做激勵，或被稱為泵浦，尤如把低處的水抽到高處一樣。經過大量實踐，了解并掌握了一些粒子數反轉的有效方法。對固體形的工作物質常應用強光照射的辦法，即為光激勵。這類工作物質常應用的有摻鉻剛玉、摻釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石等等。對氣體形的工作物質，常應用放電的辦法，促進特定儲存氣體物質按一定的規律經放電而激勵，常應用的工作氣體物質，有分子氣體（如CO2氣體）及原子氣體（如He-Ne原子氣體）。如工作物質為半導體的物質，采用注入大電流方法激勵發光，常見的有砷化鎵，這類

10、注入大電流的方法被叫做注入式激勵法。此外，還可應用化學反應方法（化學激勵法）、超音速絕熱膨脹法（熱激勵），電子束甚至用核反應中生成的粒子進行轟擊（電子束泵浦、核泵浦）等方法，都能實現粒子數反轉分布。從能量角度看，泵浦過程就是外界提供能量給粒子體系的過程。激光器中激光能量的來源，是由激勵裝置，其它形式的能量（諸如光、電、化學、熱能等）轉換而來。三、光學諧振腔處于粒子數反轉狀態的粒子體系（工作物質）。具有特定頻率的光進行放大。激光振蕩器中工作物質發出的光不是外來的，而是工作物質本身自發躍遷而產生的，即自發輻射（非受激輻射）。由于自發輻射沒有確定的頻率及傳播方向，且雜亂無章。為使自發輻射頻率單一性，

11、就需要有一裝置來實現，即光學諧振腔。要解決自發輻射，使其呈單一性的方法是只有在工作物質的兩側放置兩塊反射鏡。而且兩塊反射鏡必須彼此平行，并與工作物質的光軸垂直。兩個反射鏡中，一個是全反射鏡，反射有效率為99.8，一個是半反射鏡。反射率為4060。諧振腔即指兩塊反射鏡構成的空間。在諧振腔中，初始的光輻射是來自自發輻射，即處于高能級上粒子自發輻射光子躍遷到低能級。由于這類輻射出來的光子初相位無規律地向四面八方射出。這種光不是激光。而是像點烯的一個火種尤如生爐子點火一樣。激光振蕩反射示意圖 自發輻射光子不斷產生，同時射向工作物質，再激發工作物質產生很多新光子（受激輻射）。光子在傳播中一部分射到反射鏡

12、上，另一部分則通過側面的透明物質跑掉。光在反射鏡的作用下又回到工作物質中，再激發高能級上的粒子向低能級躍遷，而產生新的光子。在這些光子中，不在沿諧振腔軸方向運動的光子。就不與腔內的物質作用。沿軸方向運動的光子，經過諧振腔中的兩個反射鏡多次反射，使受激輻射的強度越來越強。促使高能級上的粒子不斷地發出光來。如果光放大到超過光損耗時（衍射、吸收、散射等損失）產生光的振蕩，使積累在沿軸方向的光，從部分反射鏡中射出這就形成激光。在諧振腔的反饋過程中，我們了解到光只能沿諧振腔的軸向傳播，因此激光具有很高的方向性。又由于諧振腔中兩個反射鏡之間距離不同，光在腔內不斷地反射，得到加強。而其它波長的光在腔內很快被

13、衰減掉，諧振腔就可以選擇一固定波長，說明激光具有單色性。而激光的亮度高是由光放大產生的。四、產生激光的條件和過程激光的產生，必須有激光器，而激光器必須具備三個主要的組成部分。1激活物質即被激勵后能發生粒子數反轉的工作物質，也稱做激光工作物質。諸如氖、氬、CO2、紅寶石及釹玻璃等。必須具備有亞穩態能級性質的物質。2激勵裝置能使激活介質發生粒子數反轉分布的能源，既稱為激勵裝置。如各種激光器所具備的電源。3光學諧振腔能使光子在其中重復振蕩并多次被放大的一種由硬質玻璃制成的諧振腔。產生激光的過程可歸納為：激勵激活介質（即工作物質）粒子數反轉；被激勵后的工作物質中偶然發出的自發輻射其它粒子的受激輻射光子

14、放大光子振蕩及光子放大激光產生。基于以上所述，在激光產生的原則中缺一因素不可。從原理了解激光形成的過程，對具體使用好激光手術刀很重要。并可能在工作中能得心應手地掌握激光。能盡量大限度地維護激光器，及防止在使用時所產生的傷害。由于激光波長與不同種類的激光器中的工作物質密切相關，在后將作詳述。 五、激光器的分類 實際應用的激光器種類很多，如以組成激光器的工作物質來說可分為氣體激光器、液體激光器、固定激光器、半導體激光器、化學激光器等。在同一類型的激光器中又包括有許多不同材料的激光器。如固體激光器中有紅寶石激光器、釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器。氣體型的激光器主要有He-Ne（氦氖）、CO2及氬離

15、子激光器等。由于工作物質不同，產生不同波長的光波不同，因而應用范圍也不相同。最常用而范圍廣的有CO2laser及Nd：YAG激光。有的激光器可連續工作，如He-Ne laser；有的以脈沖形式發光工作。如紅寶石激光。而另一些激光器既可連續工作，又可以脈沖工作的有CO2laser及Nd：YAG laser。（一）固體激光器實現激光的核心主要是激光器中可以實現粒子數反轉的激光工作物質（即含有亞穩態能級的工作物質）。如工作物質為晶體狀的或者玻璃的激光器，分別稱為晶體激光器和玻璃激光器，通常把這兩類激光器統稱為固體激光器。在激光器中以固體激光器發展最早，這種激光器體積小，輸出功率大，應用方便。由于工作

16、物質很復雜，造價高。當今用于固體激光器的物質主要有三種：摻釹鋁石榴石（Nd：YAG）工作物質，輸出的波長為1.06m呈白藍色光；釹玻璃工作物質，輸出波長1.06m呈紫藍色光；紅寶石工作物質，輸出波長為694.3nm，為紅色光。主要用光泵的作用，產生光放大，發出激光，即光激勵工作物質。固定激光器的結構由三個主要部分組成：工作物質，光學諧振腔、激勵源。聚光腔是使光源發出的光都會聚于工作物質上。工作物質吸收足夠大的光能，激發大量的粒子，促成粒子數反轉。當增益大于諧振腔內的損耗時產生腔內振蕩并由部分反射鏡一端輸出一束激光。工作物質有2條主要作用：一是產生光；二是作為介質傳播光束。因此，不管哪一種激光器

17、，對其發光性質及光學性質都有一定要求。（二）氣體激光器工作物質主要以氣體狀態進行發射的激光器在常溫常壓下是氣體，有的物質在通常條件下是液體（如非金屬粒子的有水、汞），及固體（如金屬離子結構的銅，鎘等粒子），經過加熱使其變為蒸氣，利用這類蒸氣作為工作物質的激光器，統歸氣體激光器之中。氣體激光器中除了發出激光的工作氣體外，為了延長器件的工作壽命及提高輸出功率，還加入一定量的輔助氣體與發光的工作氣體相混合。氣體激光器大多應用電激勵發光，即用直流，交流及高頻電源進行氣體放電，兩端放電管的電壓增壓時可加速電子，帶有一定能量，在工作物質中運動的電子與粒子（氣體的原子或分子）碰撞時將自身的能量轉移給對方，使

18、分子或原子被激發到某一高能級上而形成粒子數反轉，產生激光。氣體激光器與固體激光器相比較，兩者中以氣體激光器的結構相對簡單得多，造價較低，操作簡便，但是輸出功率常較小。因氣體激光器中的工作物質不同。因此分中性（惰性）原子、離子氣體、分子氣體三種激光器。中性原子氣體激光器這類激光器中主要充有以惰性氣體（氦、氖、氬、氪等）的物質。氦氖（He-Ne）激光器 首臺氦氖激光器誕生于1960年，它可以在可見光區及紅外區中產生多種波長和激光譜線，主要產生的有632.8nm紅光、和1.15m及3.39m紅外光。632.8nm氦氖激光器最大連續輸出功率可達到一W，壽命也達到一萬小時以上。借助調節放大電流大小，使功

19、率穩定性達到30秒內的誤差為0.005，十分鐘內的誤差為0.015的功率穩定度；發散角僅為0.5毫弧度。氦氖激光器除了具有一般的氣體激光器所固有的方向性好，單色性好，相干性強諸優點外，還具有結構簡單、壽命長、價廉、頻率穩定等特點。氦氖激光在精確指示，激光測量，醫療衛生方面有很廣泛的用途。氦氖激光器的工作原理：氦氖激光器的激光放電管內的氣體在涌有一定高的電壓及電流（在電場作用下氣體放電），放電管中的電子就會由負極以高速向正極運動。在運動中與工作物質內的氦原子進行碰撞，電子的能量傳給原子，促使原子的能量提高，基態原子躍遷到高能級的激發態。這時如有基態氖原子與兩能級上的氦原子相碰，氦原子的能量傳遞給

20、氖原子，并從基態躍遷到激發的能級狀態，而氦原子回到了基態上。因為放電管上所加的電壓，電流連續不斷供給，原子不斷地發生碰撞。這就產生了激光必須具備的基本條件。在發生受激輻射時，分別發出波長3.39m，632.8nm，1.53m三種激光，而這三種激光中除632.8nm為可見光中的紅外光外，另二種是紅外區的輻射光。因反射鏡的反射率不同，只輸出一種較長的光波632.8nm的激光。He-Ne激光器結構：此類激光器的結構大體可分為三部分，既放電管、諧振腔和激發的電源。現在臨床上最常應用的為內腔式。He-Ne激光的放電管，最外層是用硬質玻璃制成。放電的內管直徑約23mm，管長幾厘米到十幾厘米，放電管越長功率

21、越大，相應的放電電壓就高。管內主要按5：110：1的比例充入氦氖混合氣體達到總氣壓約2.663.99Pa。管的一端裝有鋁圓筒作陰極（其圓管狀結構主要是為了減少放電測射），另一端裝有鎢針作陽極，放電管兩端裝有反射鏡（即一頭為全反射鏡，出光一端為半反射鏡）。這就構成了激光放電管。在氦氖激光器中，采用的諧振腔有球面腔或平凹腔。一般腔鏡內側鍍有高反射率的介質。在其中一端反射率為100，另一端反射率由激光器的增益而定。放電毛細管長度約1520cm，He-Ne激光器的半反射鏡的半反射鏡的反射率98.599.5。諧振腔的軸線和放電毛細管軸偏離不超過0.1mm。He-Ne激光器的外界激勵能源與固體激光器不相同

22、，不能使用光泵激勵，而采用電激勵的方法。把工作物質封入放電管中，供以直流、交流及射頻等方式激勵氣體放電。通過放電過程把能量傳給工作物質，促使氣體中的離子、原子被激發。醫療中使用的激勵方法主要是以直流電激發出光。大體結構主要有高壓變壓器、整流與濾波回路、限流與穩流回路組成。（三）分子氣體激光器分子氣體激光器與原子氣體激光器不一樣，分子氣體由碳和氧組成（最常用），其原則上是能夠實現高效率與高功率輸出。分子氣體激光器通過分子能級間的躍遷產生激發振蕩的一和種激光器，分子能級躍遷形式與原子能級躍遷相同。只不過是工作物質為分子與原子的差別。分子氣體激光器中主要使用的為CO2激光器，下面將詳述。CO2激光器

23、 CO2激光器效率高，不造成工作介質損害，發射出10.6m波長的不可見激光，是一種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分封閉式及循環式，按激勵方式分電激勵，化學激勵，熱激勵，光激勵與核激勵等。在醫療中使用的CO2激光器幾乎百分之百是電激勵。CO2激光器的工作原理：與其它分子激光器一樣，CO2激光器工作原理其受激發射過程也較復雜。分子有三種不同的運動，即分子里電子的運動，其運動決定了分子的電子能態；二是分子里的原子振動，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動并決定于分子的振動能態；三是分子轉動，即分子為一整體在空間連續地旋轉，分子的這種運動決定了分子的轉動能態。分子運動極其復雜，因而能級也

24、很復雜。CO2分子為線性對稱分子，兩個氧原子分別在碳原子的兩側，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始終運動著，要繞其平衡位置不停地振動。根據分子振動理論，CO2有三種不同的振動方式：二個氧原子沿分子軸，向相反方向振動，即兩個氧在振動中同時達到振動的最大值和平衡值，而此時分子中的碳原子靜止不動，因而其振動被叫做對稱振動。兩個氧原子在垂直于分子軸的方向振動，且振動方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動。由于三個原子的振動是同步的，又稱為變形振動。三個原子沿對稱軸振動，其中碳原子的振動方向與兩個氧原子相反，又叫反對稱振動能。在這三種不同的振動方式中，確定了有不同組別的能級。CO2激光

25、的激發過程：CO2激光器中，主要的工作物質由CO2，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體。加入其中的氦，可以加速010能級熱弛預過程，因此有利于激光能級100及020的抽空。氮氣加入主要在CO2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級粒子數的積累與大功率高效率的激光輸出起到強有力的作用。CO2分子激光躍遷能級圖 CO2激光器的激發條件：放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時，放電管中的混合氣體內的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發起來。這時受到激發的氮分子便和CO2分子發生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO2分子從低能級躍

26、遷到高能級上形成粒子數反轉發出激光。結構：激光管：是激光機中最關鍵的部件。常用硬質玻璃制成，一般采用層套筒式結構。最里面一層是放電管，第2層為水冷套管，最外一層為儲氣管。二氧化碳激光器放電管直徑比He-Ne激光管粗。放電管的粗細一般來說對輸出功率沒有影響，主要考慮到光斑大小所引起的衍射效應，應根據管長而定。管長的粗一點，管短的細一點。放電管長度與輸出功率成正比。在一定的長度范圍內，每米放電管長度輸出的功率隨總長度而增加。加水冷套的目的是冷卻工作氣體，使輸出功率穩定。放電管在兩端都與儲氣管連接，即儲氣管的一端有一小孔與放電管相通，另一端經過螺旋形回氣管與放電管相通，這樣就可使氣體在放電管中與儲氣

27、管中循環流動，放電管中的氣體隨時交換。CO2激光器結構圖光學諧振腔：CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學玻璃或光學石英，經加工成大曲率半徑的凹面鏡，鏡面上鍍有高反射率的金屬膜鍍金膜，在波長10.6m處的反射率達98.8，且化學性質穩定。二氧化碳發出的光為紅外光。所以反射鏡需要應用透紅外光的材料，因為普通光學玻璃對紅外光不透。就要求在全反射鏡的中心開一小孔。再密封上一塊能透過10.6m激光的紅外材料，以封閉氣體。這就使諧振腔內激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光。電源及泵浦：封閉式CO2激光器的放電電流較小，采用冷電極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。3040mA的工作電流，陰極

28、圓筒的面積500cm2，不致鏡片污染，在陰極與鏡片之間加一光欄。泵浦采用連續直流電源激發。激勵CO2激光器直流電源原理，直流電壓為把市內的交流電壓，用變壓器提升，經高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管上。通俗解釋：_白熾燈、日光燈、高壓脈沖氙燈、激光燈的發光現象，都是光源系統中原子（或分子、離子）內部能量變化的結果。原子的能級結構是發光現象的物質基礎，激光的產生，不外乎通過以下幾個過程和步驟：（一）激發一般原子系統中，絕大多數的原子不是處于低能級的基態，而是處于高能級的激發狀態的原子數目，相比之下是非常少的。例如：在室溫（2728）的情況下，紅寶石晶體中處于基態的鉻離子數目為激發態的1030

29、倍，因此，紅寶石鉻離子基本上是處于基態的。如果要使這些處于基態的粒子產生輻射作用，首先必須把這些基態上的粒子激發到高能級去，從低能級到高級去的這一過程稱為激發或抽運。這個吸收能量的過程，稱做光的受激吸收（圖4-26-4）。激發的方法很多，主要是給基態粒子外加一定能量，例如光照、電子碰撞、分解或化合以及加熱等。基態粒子吸收能量后即被激發，例如紅寶石激發器就是脈沖氙燈照射的方法施加光能,使鉻離子從基態激發到高能級的激發態上。又如氦氖激光器通過電子與氦原子碰撞，使氦原子獲得能量。氦原子通過碰撞又將能量傳給氖原子，氖原子獲得能量后從基態激發到高能級去。化學激發器是用分解或化合的方法作為激發能源。由于原

30、子內部結構的不同，在相同的外界條件下，原子從基態被激發到各個高能級去的可能性是不一致的。通常把原子從基態激發到某一能級上去的可能性，叫做該能級的“激發機率”。各能級的激發機率是不同的，有的很大，有的很小，這種機率取決于物質自身的性質。（二）輻射原子（或分子、離子）總是力圖使自己的能量狀態處于基態上，被激發到高能級后的粒子，力圖回到基態上去，與此同時放出激發時所吸收的能量。基態是粒子能量最平衡最穩定的狀態，從高級回到低能級去的過程稱為躍遷，躍遷時釋放的能量即輻射。躍遷的形式有以下幾種：1、自發躍遷不受外界能量的影響，只是由于原子內部運動規律所導致的躍遷稱為自發躍遷。這種躍遷釋放能量的形式又有兩種

31、：一種是變為熱運動釋放能量，叫做無輻射躍遷；另一種是以光的形式將能量輻射出來，叫做自發輻射躍遷。自發輻射出來的光頻率，由發生躍遷的兩能級間之能量差所決定。 普通光源如白熾燈、日光燈、高壓水銀燈、氙燈等都是通過自發躍遷輻射產生光，這種光是非相干光。2、受激躍遷由于入射光子的感應或激勵，導致激發原子從高能級躍遷到低能級去，這個過程稱為受激躍遷或感應躍遷。這種躍遷輻射叫做“受激輻射”。受激輻射出來的光子與入射光子有著同樣的特征，如頻率、相位、振輻以及傳播方向等完全一樣。這種相同性就決定了受激輻射光的相干性。入射一個光子引起一個激發原子受激躍遷，在躍遷過程中，輻射出兩個同樣的光子，這兩個同樣的光子又去

32、激勵其它激發原子發生受激躍遷，因而又獲得4個同樣的光子。如此反應下去，在很短的時間內，輻射出來大量同模樣、同性能的光子，這個過程稱為“雪崩”。雪崩就是受激輻射光的放大過程。受激輻射光是相干光，相干光有疊加效應，因此合成光的振幅加大，表現為光的高亮度性。激發壽命與躍遷機率取決于物質種類的不同。處于基態的原子可以長期的存在下去，但原子激發到高能級的激發態上去以后，它會很快地并且自發地躍遷回到低能級去。在高能級上滯留的平均時間，稱為原子在該能級上的“平均壽命”，通常以符號“”表示。一般說，原子處于激發態的時間是非常短的，約為108秒。激發系統在1秒內躍遷回基態的原子數目稱為“躍遷機率”，通常以“A”

33、表示。大多數同種原子的平均躍遷機率都有固定的數值。躍遷率A與平均壽命的關系：A1/由于原子內部結構的特殊性，決定了各能級的平均壽命長短不等。例如紅寶石中的鉻離子E3的壽命非常短，只有109秒，而E2的壽命比較長，約為數秒。壽命較長的能級稱為“亞穩態”。具有亞穩態原子、離子或分子的物質，是產生激光的工作物質，因亞穩態能更好地為粒子數反轉創造條件。（三）粒子數反轉和激光的形成當光子通過某一介質時，它可能被原子（或離子、分子）所吸收，從而使原子從低能級激發到高能級去，這個過程稱為“共振吸收”或稱光的受激吸收。另外，入射光也能引起處于高能級的原子發生受激輻射。在一般情況下，處于低能級的原子數目遠遠超過

34、處于高能級的原子數目。要想得到受激輻射，就必須先使原子（或離子、分子）激發到高能級去。人為地施加一定能量，使高能級上具有較多的粒子數分布，這種狀態稱為“粒子數反轉”。產生粒子數反轉的物質就稱為活性物質。如何實現粒子數反轉，下面以紅寶石激光器為例加以說明。紅寶石激光器的激發是通過氙燈輸送能量。E1、E2、E3是鉻離子相對應的三個能級，使鉻離子從基態E1激發到共振吸收帶E3上去，形成了E3對E2粒子數反轉（圖4-26-7（1）。但是由于E3的壽命很短（即自發躍遷機率很大），因此鉻離子的能級就很快地并且以無輻射躍遷的形式落入E2中，同時放出熱能。E2是壽命較長的亞穩態，躍遷機率較小，因此E2就積聚了

35、大量的鉻離子。當氙燈光足夠時，則E2上的粒子（鉻離子）數就大為增加，此時E2對E1來說就出現了粒子數反轉（圖4-26-7（2）。若用E2與E1間躍遷相對應頻率（E2-E1）/h的光子引發時，上述活性系統就可產生E2對E1的受激輻射。受激輻射可以使光放大，這種放大是由于該系統受激發時從外部吸收的能量和引發的能量一舉放出的結果。處于粒子數反轉狀態的活性系統，可以產生“雪崩”。雪崩過程可以使光再次放大。該過程的繼續進行，必須通過一定的裝置，這種裝置就是光學共振腔。從共振腔中持續發出來的、特征完全相同的大量光子就是激光。（四）光學共振腔激光所以具有良好的單色性、方向性以及較高的亮度，主要是取決于光學共

36、振腔的作用。于工作物質的兩端加上兩快相互平行的反光鏡，其中一塊是全反射鏡，另一塊是半反射鏡，這就是光學共振腔的主要結構。在光學共振腔中的活性物質，受到外加能量的激勵而產生的光子可以射向各個方向，但其中傳播方向與反射鏡垂直者，則在介質中來回反射振蕩。在反射振蕩的過程中，引發介質中其它活性物質點受激輻射，因此這種輻射的強度越來越大。由于受激輻射反復振蕩產生的大量光子都具有相同的特征和一致的傳播方向，因此決定了激光具有良好的單色性和準直的定向性。又由于光子來回不斷地進行振蕩，輻射強度借以得到極度的增大，因此又保證了激光的高度性。 激光入門知識一、激光產生原理1、普通光源的發光受激吸收和自發輻射普通常

37、見光源的發光（如電燈、火焰、太陽等地發光）是由于物質在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發。激發的過程是一個“受激吸收”過程。處在高能級（E2)的電子壽命很短（一般為108109秒），在沒有外界作用下會自發地向低能級（E1）躍遷，躍遷時將產生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為h=E2-E1這種輻射稱為自發輻射。原子的自發輻射過程完全是一種隨機過程，各發光原子的發光過程各自獨立，互不關聯，即所輻射的光在發射方向上是無規則的射向四面八方，另外未位相、偏振狀態也各不相同。由于激發能級有一個寬度，所以發射光的頻率也不是單一的，而有一

38、個范圍。在通常熱平衡條件下，處于高能級E2上的原子數密度N2，遠比處于低能級的原子數密度低，這是因為處于能級E的原子數密度N的大小時隨能級E的增加而指數減小，即Nexp(-E/kT)，這是著名的波耳茲曼分布規律。于是在上、下兩個能級上的原子數密度比為N2/N1exp-(E2-E1)/kT式中k為波耳茲曼常量，T為絕對溫度。因為E2>E1，所以N2N1。例如，已知氫原子基態能量為E113.6eV，第一激發態能量為E2=-3.4eV，在20時，kT0.025eV，則N2/N1exp（400）0可見，在20時，全部氫原子幾乎都處于基態，要使原子發光，必須外界提供能量使原子到達激發態，所以普通廣

39、義的發光是包含了受激吸收和自發輻射兩個過程。一般說來，這種光源所輻射光的能量是不強的，加上向四面八方發射，更使能量分散了。2、受激輻射和光的放大由量子理論知識知道，一個能級對應電子的一個能量狀態。電子能量由主量子數n(n=1,2,）決定。但是實際描寫原子中電子運動狀態，除能量外，還有軌道角動量L和自旋角動量s，它們都是量子化的，由相應的量子數來描述。對軌道角動量，波爾曾給出了量子化公式Lnnh，但這不嚴格，因這個式子還是在把電子運動看作軌道運動基礎上得到的。嚴格的能量量子化以及角動量量子化都應該有量子力學理論來推導。量子理論告訴我們，電子從高能態向低能態躍遷時只能發生在l（角動量量子數）量子數

40、相差±1的兩個狀態之間，這就是一種選擇規則。如果選擇規則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級，一旦電子被激發到這種能級上時，由于不滿足躍遷的選擇規則，可使它在這種能級上的壽命很長，不易發生自發躍遷到低能級上。這種能級稱為亞穩態能級。但是，在外加光的誘發和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級，并放出光子。這種過程是被“激”出來的，故稱受激輻射。受激輻射的概念世愛因斯坦于1917年在推導普朗克的黑體輻射公式時，第一個提出來的。他從理論上預言了原子發生受激輻射的可能性，這是激光的基礎。受激輻射的過程大致如下：原子開始處于高能級E2，當一個外來光子所帶的能量h正好為某

41、一對能級之差E2-E1,則這原子可以在此外來光子的誘發下從高能級E2向低能級E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點，就是原子可發出與誘發光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個光子，就會出射兩個完全相同的光子。這意味著原來光信號被放大這種在受激過程中產生并被放大的光，就是激光。3、粒子數反轉一個誘發光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當處在高能級地原子數目比處在低能級的還多時，受激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優勢。由此可見，為使光源發射激光，而不是發出普通光的關鍵是發光原子處在高能級的數目比低能級上的多，這種情

42、況，稱為粒子數反轉。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態）。因此，如何從技術上實現粒子數反轉則是產生激光的必要條件。二、激光器的結構激光器一般包括三個部分。1、激光工作介質激光的產生必須選擇合適的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體。在這種介質中可以實現粒子數反轉，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩態能級的存在，對實現粒子數反轉世非常有利的。現有工作介質近千種，可產生的激光波長包括從真空紫外道遠紅外，非常廣泛。2、激勵源為了使工作介質中出現粒子數反轉，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發介質原子，稱為電激勵；

43、也可用脈沖光源來照射工作介質，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數比下能級多。3、諧振腔有了合適的工作物質和激勵源后，可實現粒子數反轉，但這樣產生的受激輻射強度很弱，無法實際應用。于是人們就想到了用光學諧振腔進行放大。所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質的光，繼續誘發新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，產生強烈的激光，從部

44、分反射鏡子一端輸出。下面以紅寶石激光器為例來說明激光的形成。工作物質是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價鉻離子的三氧化二鋁晶體。實際是摻入質量比約為0.05%的氧化鉻。由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍光，所以寶石呈粉紅色。1960年梅曼發明的激光器所產用的紅寶石是一根直徑0.8cm、長約8cm的圓棒。兩端面是一對平行平面鏡，一端鍍上全反射膜，一端有10%的透射率，可讓激光透出。紅寶石激光器中，用高壓氙燈作“泵浦”，利用氙燈所發出的強光激發鉻離子到達激發態E3，被抽運到E3上的電子很快（108s）通過無輻射躍遷到E2。E2是亞穩態能級，E2到E1的自發輻射幾率很小，壽命長達10-3s，即允許粒子停留較長時間。于是，粒子就在E2上積聚起來，實現E2和E1兩能級上的粒子數反轉。從E2到E1受激發射的波長是694.3nm的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一個光脈沖的持續時間不到1ms，每個光脈沖能量在10J以上；也就是說，每個脈沖激光的功率可超過10kW的數量級。注意到上述鉻離子從激發到發出激光的過程中涉