现代光学的发展及其应用

R～99.99%）另一块为部分反射镜。调节二块反射镜严格平行，与红宝石棒端面也要平行。
沿两镜面公共法线往返行进的光，可以多次通过工作物资（红宝石棒）经受激放大而逐次
增强，当光的增益超过损耗（腔内介质吸收损耗及部分反射镜的透射损耗）就可形成持续
的激光振荡，而从部分反射镜透射的那部分辐射就称为激光输出。
斯坦系数），通常我们总是观察到受激吸收现象，而察觉不到受激辐射现象，这是因为通
常情况下，粒子数分布N1>>N2
( N 2 ~ e−∆E / KT 即上能级粒子随 ∆E 而指数减少），所以受 N1
激吸收占优势，因此宏观仅表现为光的吸收，要获得受激辐射现象，必须使粒子数的正常
分布反转，即 N 2 >> N1 ，于是受激辐射才能占优势。在宏观上表现为光的放大作用，这
图 6 固体激光器结构示意图
贵约 5 千元左右。激励系统是氙灯，作为光泵光源。氙灯的两电极和一个贮能电容器并联， 电源给电容器充以近千伏电压，由触发电供给一个几万伏高压脉冲，使氙灯击穿点燃，使
贮存在电容器中的电能通过氙灯放电释放，并使氙灯在几毫秒的时间里发出很强的闪光，
聚光腔用来把氙灯发出的光聚到红宝石棒上，其内壁抛光并镀上金属反射层（如 Al、Ag、
一、产生的机理 光和粒子体系之间的相互作用具有三种不同的基本过程，即受激吸收过程、自发辐射 过程和受激辐射过程。 1、受激吸收过程： 设有一个粒子最初处于低能级E1上，若有一个频率为v21=(E2-E1)/h的光子趋近它，处 于低能级E1上的粒子就有可能吸收这个外来光子而被激发到高能级E2上，如图 1 所示，这 种跃近过程就叫做光的受激吸收过程，被激发到高能级的粒子称为激活粒子。
Au），以提高腔体反射率。氙灯发出的光足够强，红宝石棒中大量激活离子（
C
3+ r
）被激
发，使上、下能级形成粒子数反射。通常红宝石棒与氙灯要通过流动的水进行冷却。
谐振腔：一方面是提供光学反馈，另外又起到激光振荡光束的方向和频率限制作用。
以保证激光输出有高的单色性和高方向性，一般一块为全反射镜（即镀多层介质膜，
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还有四能级系统，如铷玻璃，Nd:YAG（掺铷乙铝 石榴石）以及大多数气体激光工作物资均属于四能级
系统的能级结构见（图 5）。
E3为亚稳态能级，E3与E2之间可发生粒子数反转，
hv32 的光子可达到光辐射放大产生激光。它比三能级
更容易达到粒子数反转。
在粒子数反转条件下，一个 hv32 的光子（如自发 辐射从 E3 → E2 能级）可以诱导E3上的粒子跃迁回到
( N 3 = e −∆E31 / KT N1
N = e 2
−∆E21 / KT
N1
∆E31 ~ ∆E21 ) ， 于 是 在 外 激 励 情 况 下 ， 就 会 有
N3 > N2 ， 即 能 级 E3 → E2 之 间 实 现 了 粒 子 数 反 射 ， 这 时 该 系 统 可 对 频 率
v32 = (E3 − E2 ) / h 的光实现放大。
E1 图 4 三能级系统
泵浦光照射该系统，即有一部分粒子吸收能量为 hv31 的光 子，由能级 E1 跃迁至 E3 ，当然，由于受激辐射同时存在，
也会有从 E3 到 E1 的跃迁过程。当泵浦光足够强时，就有可能会使 N3 = N1 ，即达到激励
饱和，若能级 E2 接近 E3 ，在热平衡状态时，能级 E3 上粒子与 E2 上粒子差不多
大学物理学补充教材（2）
现代光学的发展及其应用——
激光基础知识及其应用
理学院物理教研室 2002．8．
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现代光学的发展及其应用——
激光基础知识及其应用
激光是二十世纪 60 年代发展起来的一门新兴科学，它是 20 世纪与原子能、半导体、 计算机齐名的四大发明之一。它的出现标志着人们掌握和利用光波进入一个新的阶段，可 以说它开启了光学物理的大门。激光是基于受激辐射放大原理产生的一种相干光辐射。 Laser(即 Light amplification by stimulated Emission of radiation)最早人们叫它“光激射器”“光 量子放大器”、“莱塞”称呼不统一，直到 1964 年由著名科学家钱学森给《光受激发射时 代报》杂志〈即现在中国激光〉编辑部一封信中建议给“Laser”取名为“激光”，这一建 议在全国第三次激光辐射讨论会上一致赞同。在这以后，我国学术界开始统一使用“激光” 这名词。
程称受激辐射过程，光波放大，这就产生激光的基本概念。这二个光子状态相同，同方向、 同频率、同相位、同偏振。受激辐射的光是相干光。
显然单位时间内发生受激辐射的粒子数。
图 3 受激辐射过程
(
dN 21 dt
)
受数
=
KN 2 IB21
K比例系数，B21为受激辐射爱因斯坦系数。
当E2和E1两能级的简并度相同时，受激辐射爱因斯坦系数 B21 = B12 （受激吸收爱因
才能形成激光。
综上所述，介质内部粒子数反转和光泵一定要达到或超过阀值条件才能产生激光。
其余气体激光器、染料激光和半导体激光器基本构成与固体激光器类似。
三、激光四大特性
激光器是一种强相干光源，它所发出的激光是一种受激辐射相干光，与普通光相比，
激光具有高度的定向性、单色性、亮度和相干性。相干性又分为空间相干与时间相干性，
1960 上 7 月美国 T·梅曼（T·maiman）制成世界上第一台红宝石激光器以后，激光技 术发展十分迅速。目前，已拥有固体、气体、液体、半导体、原子等不同介质的激光器， 波长从紫外直至红外波段。我国 1961 年中科院上海光机所邓锡铭院士随即研制成功国内 第一台红宝石激光器，1962 年 He-Ne 激光获得成功。近 30-40 年来，激光无论从理论研究 到激光器的研制和它的应用都得到了突飞猛进的发展。它在国民经济各行各业和社会生活 各个方面都得到广泛应用。使现代光学技术发生了巨大变革，还促进了物理学和其它科学 技术的发展。它是集光、机、电、计于一体的新技术，激光之所以有这么大的影响，与它 具有的特性分不开。下面将介绍激光的产生机理、特性及它的应用。
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如图 6 所示。 1）工作物资：红宝石棒（含铬离子
Cr3+ ）
2）激励系统：氙灯、氙灯电源、聚光
腔（光泵）
3）谐振腔：二端平面反射镜构成 工作物质：红宝石晶体棒是激光器的
工作物资，对棒的光学能量要求较高，光
学均匀性、透明性要好，杂质、气泡要少，
一般棒尺寸为φ10×100（mm），一根棒 生长要 2-3 天，在单晶炉内生长，所以较
程。自发跃迁放出能量 ∆E = E2 − E1 ，释放能量方式有两种：一是将这部分能量转变为热
能传给其它粒子，称为无辐射跃迁（人跳后从高处回到地面，脚与地面产生热量无辐射跃 进，桌子也同样），二是以光的形式释放出光子，称为自发辐射跃迁。如图 2 自发辐射跃
迁过程发射的光子，其频率为 v21 = (E2 − E1 ) / h 。自发辐射的光十分常见，如普通光源
所发出的光。
图 2 自发辐射（跃迁）过程 自发辐射的特点：每个粒子跃迁都是自发、独立、彼此无关，因此发光杂乱无章。它 在发射方向，偏振及初始位相均不一致。即非相干光。 单位时间内自发辐射的粒子数只与E2能级上的粒子数N2成正比
(
dN 21 dt
)自发
=
A21 N 2
A21 称为自发辐射爱因斯坦系数，它与粒子在这个激发态能级上的停留时间平均值（激 发态的平均寿命）τ 21 成反比，即：
3、受激辐射过程 光的受激辐射过程与受激吸收过程相反。
当某个处于高能级 E2 上的粒子，有 v21 的光子趋近它时，这个粒子就有可能受到外来 光子的刺激（或叫感应、诱导），而从高能级 E2 跃进到低能级 E1 ，同时发出一个频率为 v21 = (E2 − E1 ) / h 的光子，于是有两同样的光子射出，辐射能量增大一倍，这种跃迁过
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种 N 2 >> N1 的状态称为粒子数反转分布，它是激光产生的前提条件。
4、激光形成首先要实现粒子数反转 粒子数反射条件：①给粒子体系施加外部作用，使更多的粒子激发到高能级，即激励 或称泵浦。②粒子体系本身的能级结构。 激励手段：光激励（脉冲氙灯、连续氪灯、碘钨灯、激光本身如 He-Ne 激光器作为激 励源）
图 5 四能级系统
E2能级，同时辐射的一个光子 hv32 ，而变成二个光子。这二个光子再去诱导处于E3上的其
它粒子受激辐射变成四个光子，四个变八个……，光子数迅速地雪崩式增强，即光子放大，
从而产生激光。
二、激光器的基本组成
各种激光器的基本组成都是相同的，一般都由工作物资，激励系统和光子谐振腔三部
分组成。
3
A21
=
1 τ 21
一般激发态的粒子平均寿命τ 21 = 10−7 ~ 10−8 s 。因而在这样的能级上很难积存粒子， 但也有些激发态其平均寿命很长，可达到10−3 ~ 1s ，这样的能级上，粒子相对来说是稳定
的，这种能级叫亚稳态能级。亚稳态能级的存在是形成激光过程一个必要条件，也就是说 只有存在亚稳态能级的物质才能成为激光工作物资。
阀值条件：要形成并输出激光，必须满足所谓阀值条件。
增益介质（工作物资）对光的放大能力通常用增益系数来描述，如图 7 所示。I（z ） 表示经过长度为z的增益介质后的光强，I0为初始光强，则
I (z) = I 0eGZ ，其中 G 为光增益系数。
如图 7 所示，令增益介质的长度为L，增益系数为G，
两反射镜的反射率为分别 r1 、r2 ，则增益介质左端光强为
He-Ne
电激发
连续脉冲
6328A
气体激光器
CO2
A r+
电激发 电激发
连续脉冲 连续脉冲
10.6μ 5145A 4880A
半导体激光器
砷化镓
注入式
连续脉冲
～9020A
液体激光器
若丹明染料
激光激发 闪光灯激发
连续脉冲
5850A、5550A （波长可调谐）
下面以固体激光器（红宝石激光器为例）了解它的基本组成：
另外，如果能级E3的寿命很短，处于能级E3上的粒子很快通过无辐射跃迁到达能级E2 上，能级E3上就不会积存粒子，而若能级E2寿命较长，E2被称为亚稳态能级。这样在外界
激励下，在E2上便可积累粒子，并达到 N 2 > N1 ，从而提供了对频率 v21 =（E2 − E1）/ h 光
的放大条件。红宝石激光器的工作物资——红宝石就是这种三能级系统。
而空间相干性与方向性密切相关，时间相干性与单色性紧密相关。因此，有时人们把上述
四性，归纳为单色性、方向性和亮度特性为基本的激光光束三大特征。激光束的上述特性
激光器按其工作物资分类大致可分为五大类。
（1）固体激光器；（2）气体激光器；（3）液体激光器；（4）半导体激光器；（5）化
学激光器。下表给出广泛使用的激光器件
分类
工作物资
激励方式
工作方式
激光波长
固体激光器
红宝石 掺铷钇铝石榴
石
Baidu Nhomakorabea
光泵 光泵
脉冲 连续脉冲
6943A 1.06μm
铷玻璃
光泵
脉冲
1.06μm
电激励（气体放电） 化学激励 热激励 能级结构：二能级系统由于受激吸收与受激辐射同时存在，最多达到激励饱和，即
N 2 = N1 ，所以无法实现粒子数反转。 三能级系统：如图 4，三能级分别为 E1 、 E2 、 E3 ，其
E3
E2 间均可发生跃进过程，这时如用频率为 v31 = (E3 − E1 ) / h 的
图 1 受激吸收过程
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受激吸收的特点是，必须有外来光子激发处于低能级的粒子，而且这个外来光子的频
率必须是 v21 = (E2 − E1 ) / h 。 若外来的照射光强为 I，则单位时间由发生受激吸收的粒子数与 E1 上的粒子数 N1 及 I
成正比。
( dN12 dt
)
=
KN 1 IB12
式中K为比例系数，B12称为从能级E1到能级E2的受激吸收爱因斯坦系数。 2、自发辐射过程 被激发到高能级上的粒子是不稳定的，它们总会自发地向低能级跃迁（例如，人站在 地面上是稳定的，一旦向上一跳就不稳定，自动地回到地面而处于稳定；桌子四脚着地是 最稳定，重心较低，一旦二只脚抬高重心上移，就处于不稳定，它总会自发向地面下落， 道理是一样的。） 由于这个过程是在不受外界影响下，完全自发地进行。因此称为自发辐射（跃迁）过
I0，光经过一次来回再经反射镜I反射后，其强度为
r1r2 I 0e2GL ，要使光在工作介质中来回一次所产生的
增益，足以补偿它在这一次来回中的损耗而形成激光，必
图7
7
须满足：
r1r2e2GL ≥ 1
上式称为阀值条件。对于 r1 、r2 、L 定值后，只有增益系数 G 大于其一最小值 Gmin 时，