激光原理簡介
發布時間：
2021-05-20 14:59
來源：
1 激光
激光又名“鐳射”，是其英文名稱“Laser”音譯過來的，而其英文名稱由“Light amplification by stimulated emission of radiation”首字母組合而成，顧名思義，“激光”則是通過受激輻射而放大的光。激光具有四大特性：高亮度、高單色性、高方向性、高相干性。
按照玻爾的氫原子理論，繞原子核高速旋轉的電子具有一系列不連續的軌道，這些軌道稱為能級，當電子在不同的能級時，原子系統的能量是不相同的，能量最低的能級稱為基態。當電子由于外界的作用從較低的能級躍遷到較高的能級時，原子的能量增加，從外界吸收能量。反之，電子從較高能級躍遷到較低能級時，向外界發出能量。在這個過程中，若原子吸收或發出的能量是光能（輻射能），則稱此過程為輻射躍遷。
受激吸收：處于低能級上的原子，吸收外來能量后躍遷到高能級，則稱之為受激吸收。
自發輻射：由于物質有趨于最低能量的本能，處于高能級上的原子總是要自發躍遷到低能級上去，如果躍遷中發出光子，則這個過程稱為自發輻射。
受激輻射：處于高能級E2上的原子，受外來頻率（滿足hv=E2-E1）的光子的激勵，從E2躍遷到E1，發出一個和外來光子完全相同的光子，稱為受激輻射。
光放大作用簡單地說，就是輸入是一個外來光子，而輸出的則是性質與外來光子一模一樣的兩個光子，因為在輸出的兩個光子中，一個就是外來光子本身，而另一個則是在受激輻射過程中釋放出來的，即是被外來光子“激”出來的。一個光子激發一個粒子產生受激輻射，得到兩個完全相同的光子，這就是光的“放大”。這兩個光子再去激發兩個粒子產生受激輻射，就可以得到完全相同的4個光子，4、8、16……如此鏈鎖反應，完全相同的光子數目便會越來越多，可見受激輻射過程也就是光放大的過程。在受激輻射過程中產生并被放大了的光，便是激光。
從光的放大作用可以看出，要想實現放大，則必須輸入外來光子（即種子光，也是后面要講的泵浦光），并且要有可供受激輻射的處在高能級的原子。在平衡狀態下，粒子（原子、分子等）在各能級的分布滿足玻爾茲曼公式，即能級的能量愈高，上面的粒子數越少。這時如果給粒子系統提供一個外來能量，使低能級上的粒子吸收能量躍遷至高能級上，使高能級上的粒子數多于低能級上的粒子數，這個過程即稱為粒子集居數反轉。只有在兩個形成了粒子數反轉的能級之間，受激輻射的分量才能大于受激吸收，光才能得到放大。
根據以上理論，激光的產生則需要三個必要條件：激勵源、工作物質、諧振腔。
激勵源：要實現粒子數反轉，首先必須消耗一定的能量把大量粒子從低能級“搬運”到高能級，這種過程在激光理論上叫做泵浦或激勵。
工作物質：激勵只是一個外部條件，激光的產生還取決于合適的工作物質，這才是激光產生的內因。實際中的物質很少只存在兩個能級，以鉻離子(Cr3+)的簡化能級為例，這是一個典型的三能級系統。在E1,E2,E3能級中，E2是亞穩態級。外界激發作用將會把粒子從E1抽運到E3，被抽運到E3的粒子很快通過無輻射躍遷轉移到E2，因為E3的壽命只有10-9秒，即10億分之一秒，不允許粒子久留，所以此過程很快。但E2的亞穩態，壽命較長，約為10-3秒，即千分之一秒，允許粒子久留。隨著E1上的粒子不斷地被抽運到E3，又很快轉移到 E2，既然E2允許粒子久留，那么從E2到E1的自發輻射躍遷幾率就很小，于是粒子就在E2上積聚起來，從而實現E2對E1兩能級間的粒子數反轉。這個系統便能對誘發光子能量hV=E2—E1的光進行光放大。顯然，E2能級好象一個水塔上的蓄水池，能夠貯存大量的粒子，只有亞穩態級才具有這種能力，但并不是所有的發光物質都具有亞穩態結構，這就是有些物質可以“激”出激光來，而有些物質卻“激”不出來的道理。所以，具備亞穩態能級結構是對產生激光的工作物質的起碼要求。
諧振腔：利用兩個面對面的反射鏡，使放大了的光在鏡間來回被反射，反復通過鏡間的介質不斷再放大，即反饋放大。兩個反射鏡可以是平面，也可以是球面。其中一個要求是反射率為100％的全反射鏡，另一個是部分反射鏡。
2 半導體激光器
半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質而產生激光的器件。.其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質的能帶（導帶與價帶）之間，或者半導體物質的能帶與雜質（受主或施主）能級之間，實現非平衡載流子的粒子數反轉，當處于粒子數反轉狀態的大量電子與空穴復合時，便產生受激發射作用。半導體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導體激光器，一般是由砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等材料制成的半導體面結型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結平面區域產生受激發射。光泵式半導體激光器，一般用N型或P型半導體單晶（如GaAS，InAs，InSb等）做工作物質，以其他激光器發出的激光作光泵激勵。高能電子束激勵式半導體激光器，一般也是用N型或者P型半導體單晶(如PbS，CdS，ZhO等)做工作物質，通過由外部注入高能電子束進行激勵。
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