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激光器的运行原理是什么?激光器的运行原理解
时间: 2020-10-29浏览次数:
现代很多领域中都使用了激光器,激光器在很多设备中都发挥着核心作用。今天就给大家分享下激光器的原理是什么? 1.光与物质的三种相互作用 根据量子力学,原子中的电子有固定轨

现代很多领域中都使用了激光器,激光器在很多设备中都发挥着核心作用。今天就给大家分享下激光器的原理是什么?

1.光与物质的三种相互作用

根据量子力学,原子中的电子有固定轨道和能级,能级间的能量量子化。当物质受到光的辐照时,光与物质(原子、分子、电子等)相互作用,存在三种光跃迁过程(three optical transition processes): 受激吸收、自发辐射、受激辐射。以下讨论辐射光与电子的相互作用,原子中的电子参见下图。

 

1.1 受激吸收stimulated absorption

受激吸收,一般称为吸收,原子中的电子吸收外来光场中的光子,从低能级跃迁至高能级,满足hv=E2-E1,(受激)吸收使外来光子数减少

 

跃迁几率(跃迁概率)为B12u(v)N1 ,其中B12为爱因斯坦B系数,u(v)为光场,N1为低能级上的粒子数。可见受激吸收与光场和低能级的粒子数有关系。

1.2 自发辐射spontaneous emission

自发辐射如下图,激发态的粒子在初态处于高能级,处于不稳定,向低能级跃迁,跃迁过程中辐射出光子,光子频率满足hv=E2-E1,。

 

自发辐射的跃迁几率(transition probalility)为A21N2,其中A21为爱因斯坦A系数,N2为高能级上的粒子数。可见自发辐射与高能级的粒子数有关系。A21的物理意义是指单位时间内发生自发辐射的粒子数密度,占E2能级总粒子数密度的百分比,即每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。

1.3 受激辐射stimulated emission

外来光子辐照至高能级的粒子,粒子结果产生向低能级跃迁,同时辐射出一个光子,这个光子与外来的入射光子波长频率一致,满足hv=E2-E1。受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同,即具有相同的频率、偏振方向、传播方向以及相同的相位。这样,输入一个光子,输出变成了两个状态完全相同的光子,并且这两个光子可再作用于其他粒子,继续引起受激辐射,从而获得大量特征完全相同的光子。即实现了光放大作用。

 

受激辐射跃迁几率为B21u(v)N2,B21爱因斯坦B系数,受激辐射系数,u(v)为光场,N2为高能级上粒子数。可见,受激辐射与光场和处于高能级的粒子数有关。

1.4 受激辐射与自发辐射的区别

受激辐射光有完全相同的相位关系,为相干光(coherent),例如激光。

自发辐射光没有固定的相位关系,为非相干光(incoherent),例如灯泡和蜡烛发光。

2.激光器原理

激光,受激而发的光,英文为laser, 是light amplification by stimulated emission of radiation的缩写。从字面可以看出,激光的发光原理就是要使受激辐射占主导地位。使受激辐射占主导地位需要满足两个条件:一是实现粒子数的反转,二是要使增益大于损耗。

2.1 粒子数的反转

我们知道,粒子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布室温情况下,粒子都处于低能级上,高能级上没有粒子。以温度T=3000K的热辐射光源,发射可见光500纳米为例,N2/N1远远小于1,说明受激辐射强度远远小于自发辐射强度,受激辐射是可以忽略不计的。受激吸收(吸收光子)使得系统的光子数极大地减小。

粒子数的反转,就是使高能级E2的粒子数N2远大于低能级E1的粒子数N1。激光器采用激励抽运系统(多采用光学激励或气体放电激励)实现粒子数的反转,如下图:

 

泵浦源提供能量,将低能级E1上的粒子抽运输送至高能级E3上(如果从E1抽运至E2,E2粒子处于激发态不稳定,很快辐射跃迁至低能级E1,这样抽运和辐射很快平衡,实现不了N2远大于N1),高能粒子从E3跃迁至E2,高能级间E3至E2的跃迁是无辐射跃迁,即激发态粒子弛豫的过程。这样,高能级上E2的粒子数就增多了,从而实现高能级E2上的粒子数比低能级E1上的粒子数多,即实现了粒子数的反转,使光实现放大。

2.2 增益大于损耗

激光器都设计为长条棒状

 

激光器内部有激光介质1(激活介质或工作介质),泵浦源2提供能量,光学谐振腔两端为反射镜,一个镜子为反射率100%的全反射镜3,另一个镜子反射率略小于100%为激光输出反射镜4。

光源发出光子,刺激高能级的反转粒子,高能级的反转粒子向低能级产生辐射跃迁,发出相同的光束,所以一个光子变成了2个光子,继续向前传播,2变4, 进而4变8,实现自发辐射的雪崩式放大,如下图:

 

激光器中的光学谐振腔,将初次的出射光经激光输出镜再反射回去,又进行一次放大,完成一次正反馈。

正反馈过程在来回反射过程中,初始很小的光,就会被放大到一个很高级别的光(指光子数从1被放大到很大很大),使得这个粒子数反转的体系里面的能量全部向这个方向集中,最后在输出反射镜这个地方,总有一点分量溢出耦合出来,即输出激光。在这个放大过程中,在其他方向上同时也产生了少量损耗,但总体上,因谐振腔的放大作用,使增益大于损耗。

光学谐振腔的附加作用使激光频率更加集中。

对于固定的共振系统,只能响应一个频率,或其谐波(像吉他两点之间的弦,改变两点距离,发出不同频率的声音)。谐振腔中两个镜子是固定的结点,光就像弦。只有当光的波长是光程的半整数倍时,光来回的一个反射才是增强的,否则,会相干消掉。这个使得我们频率也非常集中,所以输出的激光光方向一致,波长集中。

激光的单色性特别高,空间相干性特别强,单色亮度非常高。激光几乎都是平行的,向着一个方向。

由于激光的各种优良特性,激光器被发明后,在各个领域得到了广泛的应用。以上就是激光器的原理。


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