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激光產生原理
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| 發布時間：2014.08.04 新聞來源：方圓集團上海激光科技有限公司 瀏覽次數： |
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要學習激光原理我們需要先了解以下這些概念
1、能級
物質是由原子組成，而原子又是由原子核及電子構成。電子圍繞著原子核運動。而電子在原子中的能量不是任意的。描述微觀世界的量子力學告訴我們，這些電子會處于一些固定的“能級”，不同的能級對應于不同的電子能量，離原子核越遠的軌道能量越高。此外，不同軌道可最多容納的電子數目也不同，例如最低的軌道（也是最近原子核的軌道）最多只可容納2個電子，較高的軌道上則可容納8個電子等等。
2、躍遷
電子可以通過吸收或釋放能量從一個能級躍遷到另一個能級。例如當電子吸收了一個光子時，它便可能從一個較低的能級躍遷至一個較高的能級。同樣地，一個位于高能級的電子也會通過發射一個光子而躍遷至較低的能級。在這些過程中，電子釋放或吸收的光子能量總是與這兩能級的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。
3、自發輻射
指高能級的電子在沒有外界作用下自發地遷移至低能級，并在躍遷時產生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hv=E2-E1，即兩個能級之間的能量差。 這種輻射的特點是每一個電子的躍遷是自發的、獨立進行的，其過程全無外界的影響，彼此之間也沒有關系。因此它們發出的光子的狀態是各不相同的。這樣的光相干性差，方向散亂。
4、受激吸收
受激吸收就是處于低能態的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態。 電子可通過吸收光子從低能級躍遷到高能級。普通常見光源的發光（如電燈、火焰、太陽等的發光）都是由于物質在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電子吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發。激發的過程是一個“受激吸收”過程。
5、受激輻射
受激輻射是指處于高能級的電子在光子的“刺激”或者“感應”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點是由受激輻射產生的光子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態。它們具有相同的頻率，相同的方向，完全無法區分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個光子變為兩個相同的光子。這意味著光被加強了，或者說光被放大了。這正是產生激光的基本過程。
光子射入物質誘發電子從高能級躍遷到低能級，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相位，此波長對應于兩個能級的能量差。一個光子誘發一個原子發射一個光子，最后就變成兩個相同的光子。
6、受激吸收和受激輻射之間的關系
那么到底原子吸收外來的光子后，是表現為受激吸收呢還是受激輻射呢？
在一個原子體系中，總有些原子處于高能級，有些處于低能級。而自發輻射產生的光子既可以去刺激高能級的原子使它產生受激輻射，也可能被低能級的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子體系的相互作用中，自發輻射、受激輻射和受激吸收總是同時存在的。
如果想獲得越來越強的光，也就是說產生越來越多的光子，就必須要使受激輻射產生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎樣才能做到這一點呢？我們知道，光子對于高低能級的原子是一視同仁的。在光子作用下，高能級原子產生受激輻射的機會和低能級的原子產生受激吸收的機會是相同的。這樣，是否能得到光的放大就取決于高、低能級的原子數量之比。
若位于高能態的原子遠遠多于位于低能態的原子，我們就得到被高度放大的光。但是，在通常熱平衡的原子體系中，原子數目按能級的分布服從玻爾茲曼分布規律。因此，位于高能級的原子數總是少于低能級的原子數。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。
7、粒子數反轉
一個誘發光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當處在高能級的原子數目比處在低能級的還多時，受激輻射才能超過受激吸收，而占優勢。由此可見，為使光源發射激光，而不是發出普通光的關鍵是發光原子處在高能級的數目比低能級上的多，這種情況，稱為粒子數反轉。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態）。
因此，如何從技術上實現粒子數反轉則是產生激光的必要條件。那么如何才能達到粒子數反轉狀態呢？這需要利用激活媒質。所謂激活媒質(也稱為放大媒質或放大介質），就是可以使某兩個能級間呈現粒子數反轉的物質。它可以是氣體，也可以是固體或液體。用二能級的系統來做激活媒質實現粒子數反轉是不可能的。要想獲得粒子數反轉，必須使用多能級系統。
8、波爾茲曼分布規律
在通常熱平衡條件下，處于高能級E2上的原子數密度N2，遠比處于低能級的原子數密度低，這是因為處于能級E的原子數密度N的大小時隨能級E的增加而指數減小，即N∝exp(-E/kT)，這就是著名的波耳茲曼分布規律。
于是在上、下兩個能級上的原子數密度比為：N2/N1∝exp 式中k為波耳茲曼常量，T為絕對溫度。因為E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氫原子基態能量為E1＝－13.6eV，第一激發態能量為E2=-3.4eV，在20℃時，kT≈0.025eV，則N2/N1∝exp（－400）≈0
可見，在20℃時，全部氫原子幾乎都處于基態，要使原子發光，必須外界提供能量使原子到達激發態，所以普通廣義的發光是包含了受激吸收和自發輻射兩個過程。一般說來，這種光源所輻射光的能量是不強的，加上向四面八方發射，更使能量分散了。
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2014-0804 |
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