受激辐射和激光器

每一种元素原子都有自己的特征光谱，而原子光谱根源于原子的能级结构。每个原子或者分子都包含有电子，它们之间的相互作用形成原子或分子的一系列不连续的能能量状态——能级。

●受激辐射

把原子或分子的能量状态画在纸上称为能级图。右图是氢原子能级图。

原子的每一个能级对应一条横线，相应的能量用E（n）表示，n＝1，2，3……。n值越小，能量越低。在原子或分子不受到外界干扰的情况下，电子在最接近原子核的轨道上运动，这时电子的能量最低，原子也最稳定。这个最低的能量状态（即能级）称为基态，其余的能级称为激发态。当电子吸收了电磁波（光）能量，它就会从低能级跳到高能级，这个过程作为电子跃迁。同样电子由高能级回到低能级原子以电磁波（光）的形式放出能量。如果原子发射电磁波的频率在可见光范围之内，我们看到原子发光。电子吸收光或者发出光的频率υ与原子能级的关系是：

υ=（Fi－Fj）／h

式中Fi表示第I个能级的能量，Fj为第j个能级的能量，h为普朗克常数。

物质是由分子及原子等粒子组成的。当光照射到物质上，光便与组成物质的粒子相互作用。光与粒子的作用有三种过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。

所谓“自发辐射”指当粒子由于某种原因处于高能态E2时，如果E2是一个不稳定能态，经过一段时间后便自发地跃迁到低能态E2上，同时发出频率V的光。其过程如图．

粒子在激发态上的寿命在10-7~10-9秒时间范围，平均寿命为10-8秒。

若E2能级上存在许多粒子，每个粒子由E2跃迁到E1时都会发光。这些光除了频率相同之外，其余的参数如相位、偏振方向和发射方向都不相同。这种自发辐射的光也常常被称为荧光。

所谓“受激吸收”指当粒子处于低能态E1时，受到频率为υ的光的刺激，吸收光υ=（E2－E1）／h的能量，将会从E1跃迁E2。这个过程就是受激吸收。

所谓“受激辐射”指粒子由于某种原因而处于高能态E2，在粒子的平均寿命期内，受到了频率为υ的光的干扰，从能级E2跃迁到E1能态，并辐射频率为

υ=（E2—E1）／h

的光。这个过程称为受激辐射。受激辐射的光与入射光不仅同频率，而且相位、偏振方向和发射方向都相同。受激辐射的光实际上入射光波与辐射光波的和，所以光波经过受激辐射之后，强度增强了，光波得到放大。受激辐射就是激光。

实际上，由于物质中存在许多粒子，自发辐射、受激吸收和受激辐射三种过程是同时存在的。某些粒子子吸收光波后由低能级跃迁到高能级，然后自发辐射跃迁到低能级。辐射的光波可能被另一些高能级的粒子吸收产生受激辐射，也可能被一些低能级的粒子吸收产生受激吸收，循环往复。

●泵浦原理

任何一种物质都包含有大量的粒子（原子或分子）。这些粒大在不停的运动，它们之间存在各种形式的能量交换，使得有的粒子处于较高能态，有的粒子处于较低能态，有的粒子处于基态。当达到热平衡时，分布在各能级上的粒子数量按一种统计规律分布，称之为玻尔兹曼分布。

若存在两个能级E2与E1，且E2＞E1，这两个能级上的粒子数之比为：

n1／n2=（g2/g1）e（E2—E1）/KT

由于T＞O，n2是按负指数的规律变化，显然N2<N1。N1是基态，基态粒子数最多，激发态的粒子数少。能级越高，E2－E1差越大，粒子数越少。在热平衡状态下，大多数粒子处于基态。当光照射到物质上表现出来的是光吸收，产生自发辐射。只有当高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数时，也就是粒子数的分布不服从玻尔兹曼分布，造成粒子数反转，光照射到粒子系统上才能出现受激辐射，产生激光。

要想维持粒子系统的受激辐射，就需要保持高能级的粒子数比低能级的粒子数多，也就是需要源源不断地向高能级输送粒子，就好比把水从低水位抽到高水位。将低能态的粒子输送到高能态采用泵浦原理，但它不是水泵而是光泵。例如有三个能级E2、E1和E3，E3＞E2＞E1。如果E2能级的寿命较长，即粒子停留于E2能级上的时间较长，这个能级称为亚稳态。将一束频率为υ1=（E3－E2）/h的光照射到粒子系统上，粒子吸收光由E1跃迁到能态E3上，很快便自发辐射到E2亚稳态能级，于是E2能级粒子数增加。频率为υ1的光连续照射粒子系统，其结果使E2能级上的粒子数多于E1能级的粒子数，造成粒子数反转。

通过泵浦过程，频率为υ1的抽运光把E1能级上的粒子都抽到E1能级上，使物质系统偏离玻尔兹曼分布，由于频率为υ2=（E2—E1）/h的光照射，在E2与E1能级之间发生受激辐射，即产生激光。

●激光器

激光器主要由三部分组成，激光工作质、泵浦源和光学谐振腔。

光学谐振腔是为了获得足够强而且稳定的激光输出而设计的。它由两块反射镜组成，其中一块是全反射镜，另一块是半反射镜。这两块反射镜平行放置，激光工作物质放在谐振腔内，当受激辐射的光在谐振腔内往返一次时，受激辐射就会增强，增强的激光一部从谐振腔的半反射镜输出，一部分补偿光在谐振腔内的耗损。

世界上第一台激光器为美国物理学家迈曼于1960年首创的红宝石激光器（左图）。其工作物质为掺有极少量硫离子的固体红宝石。对于珠宝商人来说红宝石是贵重的首饰，对于物理学家来说它是一种很适用的激光器工作物质。这是因为红宝石的晶体结构比较简单，易于处理，同时也比较容易人工合成。迈曼将红宝石做成一个圆柱体，直径大约3/8英寸，长约3/4英寸。圆柱体的两端平滑且互相平行，两端平行度的精度在（/3以内。红宝石圆柱体的两端平面上蒸镀了银膜，成为光学谐振腔。一端不透明为全反射膜，一端半透明为半反射膜，或者在半反射膜中心有一个小孔。迈曼用一个充有氙气的石英闪光灯管做泵浦系统，其光源的辐射面积约为25平方厘米，灯管的输入能量为650焦耳。闪光灯的能量由一个1350微法拉的电容器组放电供给，通过改变电容器的充电电压可以调节输入能量。

从1960年到现在不足40年中，发现能产生激光的物质达千余种，获得的激光谱线也已有万余条，还出现了给予不同工作原理的激光器，如自由电子激光器和原子激光器。对于激光器的分类，在不同的场合使用不同的方法。按波长可分为红外（包括远红外）光、可见光和紫外（包括远紫外）光激光器等。按工作方式可分为连续激光器和脉冲激光器，单一频率激光器和频率可调节的可调激光器。在更多情况下是按工作物质分类，有气体激光器、固体激光器、半导体激光器、化学激光器、液体染料激光器。

1．气体激光器。氦－氖激光器。它是在1960－1961年期间首先研制成功的连续振荡的激光器，也是最常用的激光器之一。它的工作物质主要是氖，辅助气体是氦。激光波长有6328埃、1.15微米和3.39微米。它的方向性很好，发散角约为1毫弧度，相干长度达几十公里，寿命可达几万小时。但它的输出功率较小，只有毫瓦的数量极。

氩离子激光器。它的工作物质是氩离子，它的输出谱线波长为4880埃（蓝光）、5145埃。氩离子激光器既可连续工作也可脉冲工作。它的输出功率较强，每立方厘米输出功率可达500毫瓦，最大能达150瓦。

二氧化碳激光器。它的工作物质是二氧化碳，辅助气体有氦和氖。它的谱线在红外区，9－11微米之间，最强的谱线在10.6微米处。CO2激光器的输出功率较大，可达到50瓦以上的连续波。

氮分子激光器。氮分子激光器的工作物质是氮分子。它输出谱线在近紫外3371埃处，氮分子激光器主要发射脉冲光。脉冲宽度在几个毫微秒到几十毫微秒的范围内，因此它可发射很大的脉冲功率。

2．固体激光器。红宝石激光器。它是最先研制成功的激光器，工作物质是红宝石，在红宝石中掺有铬（Cr3+），这种激光器的激光波长为6943埃。红宝石激光器既可发射连续波也可以发射脉冲波。一个脉冲能量在几焦耳到数百焦耳范围。

除此之外还有一种金绿宝石激光器，它的输出波长是可调谐的。中心波长在0.75微米附近，可调范围达0.1微米。

钕玻璃激光器。它的工作物质是掺有钕离子（Na3+）的玻璃。钕玻璃激光束的谱线在1.06微米及近红外，激光线宽在50—100埃之间。

钇铝石榴石激光器。它的工作物质是掺钕（Na3+）离子的钇铝石榴石，简写为Na3+：YAG激光器。Na3+：YAG激光束波长为1.06微米。

3．有机溶液染料激光器。最常用于有机溶液染料激光器的工作物质是有机液体染料若丹明6G等。有机溶液染料激光器的特点是激光束的波长可调，就像无线电发射机那样可以调谐输出频率。这种激光器的波长调节范围是0.32―1.22微米。

4．半导体激光器。以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。半导体激光器的特点是体积小、重量轻、使用寿命长。现有的半导体激光器有：

砷化镓激光器，它输出的激光束波长为0.8—0.91微米。

铝镓砷激光器，它输出0.63—0.90微米的激光束。

铅锡硒激光器，它输出的激光束波长为8—34微米。

铟砷锑激光器，其输出的激光束波为3.1—5.4微米

硫化锌激光器，其输出的激光束波为0.33微米

铟磷砷激光器，其输出的激光束波为0.9—3.2微米

汞镉磅碲激光器，其输出的激光束波为3—15微米

氧化锌激光器，其输出的激光束波为3.72微米

如果在半导体激光材料中，掺有合适的杂质，也可做成波长可调的激光器。

除上述各种激光器之外，还有许多种激光器，如利用化学反应实现粒子数反转的激光器称为化学激光器，拉曼可调激光器，受激准分子激光器，非线性频率转换激光器，自由电子激光器乃至最新型的原子激光器等。