第四章激光材料.

第四章激光材料

激光器是60年代初才出现的一种新颖光源，激光较普通光具有三个突出特点：第一，方向性好，亮度高；第二，单色性好；第三，相干性好。

首先，在现有的各类光源中，激光的亮度最高，比太阳表面的亮度还要高1010 倍。

激光的另一个特点是方向性好。

普通光源发出的光是向四面八方发射的，激光器则不同，他只向一定的方向发出一束几乎平行的光，光束的发射角很小。

例如，氦—氖激光器的光束发散角只有1～5mrad。虽然探照灯的方向性较好，但它的光束在几公里之外扩展到几十米，而激光器的光束在几公里之外，扩展的范围仅有几厘米。

其次，激光的单色性好。

一般有单色光源发出的光实际上波长并不是单一的，而是有一定的波长范围，这个范围称为单色光的谱线宽度。光的波长范围越小，谱线宽度越窄，说明它的单色性越好。

在普通光源中，单色性最好的是氪灯，发出光的谱线宽度在室温下为0.00095 nm。

氦—氖气体激光器发出的光，其谱线宽度在室温下为1×10-8 nm。

由此可知，激光器的单色性比氪灯要好上万倍。

激光还具有相干性，它有高度的空间相干性和时间相干性。

空间相干性是指从两个不同点发出的单色光相位间的相关性。

时间相干性是指从一点光源发出的单色光经过不同路径而到达同一区域时，由于时间差而产生干涉现象。

激光器发出的激光有可见光，也有红外光，紫外光甚至是x射线。

第一节激光产生的原理

在正常情况下，原子中的电子大多数处于能级较低的稳定状态。

在原子受到光的照射，加热或微粒的碰撞后，就吸收外来的能量，电子便从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发状态。

处于激发状态的电子不稳定，会很快跳回到基态，同时放出能量。

能量释放的方式通常有两种，一种是以热的形式放出，称为无辐射跃迁；另一种是以光的形式辐射出来，称为辐射跃迁。

辐射出来的光的频率γ由跃迁前后的两个能级之间的能量差所决定。

ν = E2-E1/h

在普通光源如电灯，日光灯、高压水银灯中，处于激发状态的电子可以不受外界影响，而通过自发发射光子，从能量高的状态衰变到能量低的状态，这种过程称为自发辐射跃迁。

此外，也可以在外来光波的作用下，导致电子从较高能级向较低能级跃迁，这种跃迁称为受激辐射跃迁。

这时辐射出来的光和外来的光在频率、传播方向和位相等方面是完全相同的。

只有当外来光波的频率和原子的相应能级相当时，既符合ν= E2-E1/h 的条件时（E1,E2分别表示不同能级的能量E2>E1）,才能发生受激辐射。

相当于水泵把水从地处抽到高处，用光照射，借助气体放电或利用化学反应都可引起激励。因此常用的泵有光泵，电泵，气动泵，化学泵等。

怎样才能使受激辐射从次要地位转变为主导地位

呢？

当光的频率和原子的相应能级相当且通过物体时，有两方面的作用：

一方面是已被激发到高能级的原子发生受激辐射，使光子数增多。

另一方面是处在低能级的原子吸收光子的能量被激发到高能级上去，使光子数减少。

光的吸收和受激辐射是同时存在的，但又是不平衡的。

通常在热平衡状态下，处于低能级的原子数(N1)总是多于处在高能级的原子数(N2)，即N1〉N2这时光的吸收起主导作用；

反之，当处于高能级的原子数多于处在低能级的原子数，即N2〉N1时，受激辐射起主导作用。

在通常情况下，总是N1〉N2,但在外来能量的激发下，有可能使N2〉N1，这种反常状态称为出现了粒子数反转。

粒子数反转是使受激辐射从次要地位转化为主要地位的必要条件，也就是产生激光的必要条件。

在激光器中，可以实现粒子数反转而产生受激辐射的物质称为工作物质。

在通常情况下，处于较高能级的离子是很不稳定

的，存在的时间很短，只有10-8S。但有些物质，如，氖原子及二氧化碳分子等，它们的某一较高能级比较稳定，可存在较长时间，这种能级称为亚稳态能级。由亚稳态能级的粒子（原子、离子或分子）体系，较易在亚稳态能级和低能级之间实现粒子数反转，亚稳态能级的存在是工作物质造成粒子数反转的内因。

若此时有某种外部作用，使大量原来处于低能级的粒子跃迁到较高的亚稳态能级上，造成粒子数反转，这种过程成为激励。引起激励的外部作用称为泵。

工作物质是否容易实现粒子数反转与工作物质的能级结构有关，工作物质的能级结构有以下几种情况。

1、二能级系统

在没有外界作用的情况下，体系中处于较低能级E1的粒子数总是多于处在较高能级E2的粒子数。

在受到泵的激励后，处于低能级E1的粒子可以吸收能量被激发到高能级E2上，造成粒子数反转。这种体系如果单纯用光泵激励，由于同时也产生受激辐射，很难实现粒子数反转。

2、三能级系统

在体系受到泵的激励后处在基态E1的粒子可吸

收能量被激发到较高能级E2上，粒子在能级E2的寿命（存在时间）很短，一般只有10-8s，它迅速跃迁到寿命较长的能级E3（亚稳定能级）上，这样就实现能级E3与基态能级E1之间的粒子数反转，只有当ν=E3-E1/h 的外来光作用时，立刻产生受激辐射。

在热平衡状态时，基态能级上的粒子数很多，因此必须用很强的泵，才能使基态能级E1上较多的粒子跃迁到较高的能级E2上去，然后造成能级E3与E1的粒子数反转。

这种体系能实现粒子数反转，但对泵的要求较高。

3、四能级系统

当体系受到泵的激励后，处在基态E1的粒子先被激发到较高能级E2上去，然后由E2迅速跃迁到寿命较长的能级E3上，这时能级E3积聚较多的粒子，在正常情况下比基态能级稍高的另一较低能级E4上的粒子数很少，因此，在能级E3与E4之间很易实现粒子数反转，当有ν=E3-E4/h的外来光作用时，立即产生受激辐射。

这种体系较易实现粒子数反转。

工作物质是激光器的核心，它的主要作用有2个