产生激光的基本条件

一般情况下，处于温度为T的平衡态下的体系，在 各能级上的原子数由玻耳兹曼分布确定，即有


在正常状态下，由上式可以算出处于高能态上的原 子数远远低于低能态上的原子数，这种分布称为正 常分布。当光通过正常分布的原子系统时，被吸收 掉的光子数远远大于受激辐射放出的光子数，不可 能实现光放大。要使光放大，就要使处于激发态的 原子数大于低能态上的原子数，这种分布与正常分 布相反，称为粒子数的反转分布，简称粒子数反转， 这是产生激光的必要条件。

谐振腔 的作用主要是产生和维持光振荡。由于初始 诱发，受激辐射的光子来源于自发辐射，而原子自 发辐射是随机的，所辐射的光的位相、偏振态、频 率和传播方向都是随机的，有了光学谐振腔后，凡 是不沿谐振腔轴线的光都将从腔内逸出。只有沿轴 线传播的光，才能在激活介质中来回往返传播，使 谐振腔内的光子数不断增加，得到光放大，从而获 得方向性很好、相干性很好和强度很大的光。


光在谐振空内传播时，形成以反射镜为单点的驻波， 由驻波条件可得，加强的光必须满足驻波条件 L=nλ/2 式中L是谐振腔的长度，λ是光的波长，n是正整数。 所以谐振腔又起到选频的作用，使激光器输出的激 光频宽很窄，即激光的单色性很好。
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谐振腔 激光器中的工作物质激活后虽能产生光放大，但所 得到的光方向性和单色性都很差，强度也很微弱， 没有实用价值。为了获得有一定强度的激光，还必 须加上一个光学谐振腔，最简单的光学谐振腔是由 两个放置地工作物质两边的反射镜组成，两镜严格 平行，其中一个是全反射镜，另一个是部分透光的 反射镜，激光从此处输出。
产生激光的基本条件
第四组：李晶晶，陈珠，陈远洪，王龙，王子文，吴鑫伟，杨震


激光（Laser），它指通过受激辐射放大产生准 直、单色（同频率）、相干的光束。 原理：原子的运动状态可以分为不同的能级，当 原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量 的光子（所谓自发辐射）。同样的，当一个光子入 射到一个能级系统并为之吸收的话，会导致原子从 低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收）；然后，部 分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出 光子（所谓受激辐射）。
2018/11/23

粒子数反转 光泵 谐振腔

粒子数反转分布

在光和原子系统相互作用时，总是同时存在 着自发辐射、受激辐射和受激吸收三种跃迁过 程。受激吸收与受激辐射在减小和增加光子方 面来说是相互矛盾的，光通过物质时，光子数 是增加还是减小，取决于哪个过程占优势，这 又取决于处于高、低能态的原子数。

光泵 受激辐射放大过程，显然讲减少高能态的原子数， 直至新的平衡态又重新建立，从而破坏了粒子数反 转状态。为了保持原子系统的粒子数反转状态，需 不断的将原子从低能态抽运至高能态，需将能量注 入原子系统，以维持激光运转所必须之能量。这种 将原子从低能态抽运至高能态的过程，称为光泵。 光泵可以是化学的，电学的，热学的或者光学的方 法。


并不是所有的原子系统都能实现粒子数反转分布， 只有具有亚稳态能级的工作物质，才能实现粒子数 反转。如，三能级系统。 三能级系统的能级结构如下所示，E1为基态能级， E3为激发态能级（寿命约10-8秒），E2为亚稳态能 级（寿命为10-3~1秒）激励能源把E1上的原子抽运 到E3上去，这些原子通过碰撞将能量转移给晶格， 而无辐射地跃迁到E2上。由于E2态的寿命较长，E2 态上的原子数会不断增加，而E1上原子数不断减少， 于是可以在E2和E1两能级间实现粒子数反转，这时 如果有一频率满足(24.4.1)的外来光子射入，就会 产生光放大作用。典型的三能级系统是红宝石，它 是在人工制造的刚玉（AI2O3）中，掺入少量的铬 离子（Cr+++）而构成的晶体。产生激光靠铬离子， 所产生的激光波长为694.3nm的红光。