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激光器的工作原理

发布时间:2019/12/17   查看次数:209

激光器的工作原理:

激光,受激而发的光,英文为laser, 是light amplification by stimulated emission of radiation的缩写。从字面可以看出,激光的发光原理就是要使受激辐射占主导地位。使受激辐射占主导地位需要满足两个条件:一是实现粒子数的反转,二是要使增益大于损耗。

一、粒子数的反转

我们知道,粒子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布,如下图,   


室温情况下,粒子都处于低能级上,高能级上没有粒子。以温度T=3000K的热辐射光源,发射可见光500纳米为例,N2/N1远远小于1,说明受激辐射强度远远小于自发辐射强度,受激辐射是可以忽略不计的。受激吸收(吸收光子)使得系统的光子数极大地减小。  粒子数的反转,就是使高能级E2的粒子数N2远大于低能级E1的粒子数N1。激光器采用激励抽运系统(多采用光学激励或气体放电激励)实现粒子数的反转,如下图:


   泵浦源提供能量,将低能级E1上的粒子抽运输送至高能级E3上(如果从E1抽运至E2,E2粒子处于激发态不稳定,很快辐射跃迁至低能级E1,这样抽运和辐射很快平衡,实现不了N2远大于N1),高能粒子从E3跃迁至E2,高能级间E3至E2的跃迁是无辐射跃迁,即激发态粒子弛豫的过程。这样,高能级上E2的粒子数就增多了,从而实现高能级E2上的粒子数比低能级E1上的粒子数多,即实现了粒子数的反转,使光实现放大。

二、 增益大于损耗

激光器都设计为长条棒状,如下图:   


激光器内部有激光介质1(激活介质或工作介质),泵浦源2提供能量,光学谐振腔两端为反射镜,一个镜子为反射率100%的全反射镜3,另一个镜子反射率略小于100%为激光输出反射镜4。  光源发出光子,刺激高能级的反转粒子,高能级的反转粒子向低能级产生辐射跃迁,发出相同的光束,所以一个光子变成了2个光子,继续向前传播,2变4, 进而4变8,实现自发辐射的雪崩式放大,如下图:   


激光器中的光学谐振腔,将初次的出射光经激光输出镜再反射回去,又进行一次放大,完成一次正反馈。  正反馈过程在来回反射过程中,初始很小的光,就会被放大到一个很高级别的光(指光子数从1被放大到很大很大),使得这个粒子数反转的体系里面的能量全部向这个方向集中,最后在输出反射镜这个地方,总有一点分量溢出耦合出来,即输出激光。在这个放大过程中,在其他方向上同时也产生了少量损耗,但总体上,因谐振腔的放大作用,使增益大于损耗。  光学谐振腔的附加作用使激光频率更加集中。  对于固定的共振系统,只能响应一个频率,或其谐波(像吉他两点之间的弦,改变两点距离,发出不同频率的声音)。谐振腔中两个镜子是固定的结点,光就像弦。只有当光的波长是光程的半整数倍时,光来回的一个反射才是增强的,否则,会相干消掉。这个使得我们频率也非常集中,所以输出的激光光方向一致,波长集中。  激光的单色性特别高,空间相干性特别强,单色亮度非常高。激光几乎都是平行的,向着一个方向。  由于激光的各种优良特性,激光器被发明后,在各个领域得到了广泛的应用。