激光的基础知识

激光的基础知识

相信激光这名词对大家来说一点也不陌生。在日常生活中，我们常常接触到激光，例如在课堂上我们所用的激光指示器，与及在计算机或音响组合中用来读取光盘资料的光驱等等。在工业上，激光常用于切割或微细加工。在军事上，激光被用来拦截导弹。科学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离，涉及的误差只有几厘米。激光的用途那么广泛，究竟它有哪些特点，又是如何产生的呢？以下我们将会阐释激光的基本特点和基本原理。

激光的特性

高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。

（1）激光的高亮度：固体激光器的亮度更可高达 1011W/cn2Sr 。不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。

（2）激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。

（3）激光的高单色性：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。

（4）激光的高相干性：相干性主要描述光波各个部分的相位关系。

正是激光具有如上所述的奇异特性因此在生活、工业加工、军事、科研等领域中得到了广泛地应用。

激光产生原理

激光的发展有很长的历史，它的原理早在 1917 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光英文名是 Laser ，即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的缩写。

激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要

过程。但在阐释这个过程之前，我们必先了解物

质的结构，与及光的辐射和吸收的原理。

物质由原子组成。图一是一个碳原子的示

意图。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。

质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布

满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是，

电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世

界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固

定的「能级」，不同的能级对应于不同的电子能量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这

些能级想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道 (也是最近原子核的轨道) 最多只可容纳 2 个电子，较高的轨道则可容纳 8 个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的 [1]，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。

图一 碳原子示意图。

电子可以透过吸收或释放能量从一个能级跃迁至另一个能级。例如当电子吸收了一个光子 [2] 时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级 (图二 a)。同样地，一个位于高能级的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能级 (图二 b)。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。

当原子内所有电子处于可能的最低能阶时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时，我们称原子处于受激态。前面说过，电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种形式﹕

(1)自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 (图二 a)。

(2)自发辐射 - 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 (图二 b)。

(3)受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射

光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量

差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光

子 (图二 c)。

激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。

产生激光还有一个巧妙之处，就是要实

现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光为

例 (图三)，原子首先吸收能量，跃迁至受激

态。原子处于受激态的时间非常短，大约 10-7

秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状

态。原子停留在亚稳态的时间很长，大约是

10-3秒或更长的时间。电子长时间留在亚稳

态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的

原子数目，此现象称为粒子数反转。粒子数

反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。 激光器的结构

激光器一般包括三个部分。

1、激光工作介质

激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒图二 原子内电子的跃迁过

图三 粒子数反转的状

子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。

2、激励源

为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

3、谐振腔

有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。

下面以红宝石激光器为例来说明激光的形成。工作物质是一根红宝石棒。红宝石是掺入少许3价铬离子的三氧化二铝晶体。实际是掺入质量比约为0.05%的氧化铬。由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石呈粉红色。1960年梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径0.8cm 、长约8cm 的圆棒。两端面是一对平行平面镜，一端镀上全反射膜，一端有10%的透射率，可让激光透出。

红宝石激光器中，用高压氙灯作“泵浦”，利用氙灯所发出的强光激发铬离子到达激发态E 3，被抽运到E 3上的电子很快（～10-8s ）通过无辐射跃迁到E 2。E 2是亚稳态能级，E 2到E 1的自发辐射几率很小，寿命长达10-3s ，即允许粒子停留较长时间。于是，粒子就在E 2上积聚起来，实现E 2和E 1两能级上的粒子数反转。从E 2到E 1受激发射的波长是694.3nm 的红色激光。由脉冲氙灯得到的是脉冲激光，每一个光脉冲的持续时间不到1ms ，每个光脉冲能量在10J 以上；也就是说，每个脉冲激光的功率可超过10kW 的数量级。注意到上述铬离子从激发到发出激光的过程中涉及到三条能级，故称为三能级系统。由于在三能级系统中，下能级E 1是基态，通常情况下积

聚大量原子，所以要达到粒子数反

转，要有相当强的激励才行。

从上面的叙述中我们注意

到，激光器要工作必须具备三个基

本条件，即激光物质、光谐振器和

泵浦源，其基本结构如图四所示。 通过泵浦源将能量输入激光

物质，使其实现粒子数反转，由自发辐射产生的微弱的光在激光物质中得以放大，由于激光物质两端放置了反射镜，有一部分符合条件的光就能够反馈回来再 参加激励，这时被激励的光就产生振荡，经过多次激励，从右端反射镜中投射出来的光就是单色性、方向性、相干性都很好的高亮度的激光。不同类型的激光器在发光物质、反射镜以及泵浦源等方面所用材料有所区别，下文提到的各种激光器也正是基于这些不同进行分类的。

激光器的种类

对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。

图四 激光器结构图