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激光原理简介

2021-05-20

1 激光

激光又名“镭射”,是其英文名称“Laser”音译过来的,而其英文名称由“Light amplification by stimulated emission of radiation”首字母组合而成,顾名思义,“激光则是通过受激辐射而放大的光。激光具有四大特性:高亮度、高单色性、高方向性、高相干性。

按照玻尔的氢原子理论,绕原子核高速旋转的电子具有一系列不连续的轨道,这些轨道称为能级,当电子在不同的能级时,原子系统的能量是不相同的,能量最低的能级称为基态。当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时,原子的能量增加,从外界吸收能量。反之,电子从较高能级跃迁到较低能级时,向外界发出能量。在这个过程中,若原子吸收或发出的能量是光能(辐射能),则称此过程为辐射跃迁。

受激吸收:处于低能级上的原子,吸收外来能量后跃迁到高能级,则称之为受激吸收。

自发辐射:由于物质有趋于最低能量的本能,处于高能级上的原子总是要自发跃迁到低能级上去,如果跃迁中发出光子,则这个过程称为自发辐射。

受激辐射:处于高能级E2上的原子,受外来频率(满足hv=E2-E1)的光子的激励,从E2跃迁到E1,发出一个和外来光子完全相同的光子,称为受激辐射。

光放大作用简单地说,就是输入是一个外来光子,而输出的则是性质与外来光子一模一样的两个光子,因为在输出的两个光子中,一个就是外来光子本身,而另一个则是在受激辐射过程中释放出来的,即是被外来光子“激”出来的。一个光子激发一个粒子产生受激辐射,得到两个完全相同的光子,这就是光的“放大”。这两个光子再去激发两个粒子产生受激辐射,就可以得到完全相同的4个光子,4、8、16……如此链锁反应,完全相同的光子数目便会越来越多,可见受激辐射过程也就是光放大的过程。在受激辐射过程中产生并被放大了的光,便是激光。

从光的放大作用可以看出,要想实现放大,则必须输入外来光子(即种子光,也是后面要讲的泵浦光),并且要有可供受激辐射的处在高能级的原子。在平衡状态下,粒子(原子、分子等)在各能级的分布满足玻尔兹曼公式,即能级的能量愈高,上面的粒子数越少。这时如果给粒子系统提供一个外来能量,使低能级上的粒子吸收能量跃迁至高能级上,使高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数,这个过程即称为粒子集居数反转。只有在两个形成了粒子数反转的能级之间,受激辐射的分量才能大于受激吸收,光才能得到放大。

根据以上理论,激光的产生则需要三个必要条件:激励源工作物质、谐振腔。

激励源:要实现粒子数反转,首先必须消耗一定的能量把大量粒子从低能级“搬运”到高能级,这种过程在激光理论上叫做泵浦或激励。

工作物质:激励只是一个外部条件,激光的产生还取决于合适的工作物质,这才是激光产生的内因。实际中的物质很少只存在两个能级,以铬离子(Cr3+)的简化能级为例,这是一个典型的三能级系统。在E1,E2,E3能级中,E2是亚稳态级。外界激发作用将会把粒子从E1抽运到E3,被抽运到E3的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2,因为E3的寿命只有10-9秒,即10亿分之一秒,不允许粒子久留,所以此过程很快。但E2的亚稳态,寿命较长,约为10-3秒,即千分之一秒,允许粒子久留。随着E1上的粒子不断地被抽运到E3,又很快转移到 E2,既然E2允许粒子久留,那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小,于是粒子就在E2上积聚起来,从而实现E2对E1两能级间的粒子数反转。这个系统便能对诱发光子能量hV=E2—E1的光进行光放大。显然,E2能级好象一个水塔上的蓄水池,能够贮存大量的粒子,只有亚稳态级才具有这种能力,但并不是所有的发光物质都具有亚稳态结构,这就是有些物质可以“激”出激光来,而有些物质却“激”不出来的道理。所以,具备亚稳态能级结构是对产生激光的工作物质的起码要求。

谐振腔:利用两个面对面的反射镜,使放大了的光在镜间来回被反射,反复通过镜间的介质不断再放大,即反馈放大。两个反射镜可以是平面,也可以是球面。其中一个要求是反射率为100%的全反射镜,另一个是部分反射镜。

 

 

2 半导体激光器

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器,一般是由砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励。

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