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解決方案
激光產(chǎn)生的原理是怎樣的
2021-01-08
一、激光產(chǎn)生原理
1、普通光源的發(fā)光——受激吸收和自發(fā)輻射
普通常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽等地發(fā)光）是由于物質在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過程是一個“受激吸收”過程。處在高能級（E2)的電子壽命很短（一般為10－8～10－9秒），在沒有外界作用下會自發(fā)地向低能級（E1）躍遷，躍遷時將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為 hυ=E2-E1 這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨立，互不關聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無規(guī)則的射向四面八方，另外未位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級有一個寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個范圍。
在通常熱平衡條件下，處于高能級E2上的原子數(shù)密度N2，遠比處于低能級的原子數(shù)密度低，這是因為處于能級E的原子數(shù)密度N的大小時隨能級E的增加而指數(shù)減小，即N∝exp(-E/kT)，這是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個能級上的原子數(shù)密度比為
N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}
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(tài)能量為E1＝－13.6eV，第一激發(fā)態(tài)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(tài)，要使原子發(fā)光，必須外界提供能量使原子到達激發(fā)態(tài)，所以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)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(fā)射，更使能量分散了。
2、受激輻射和光的放大
由量子理論知識知道，一個能級對應電子的一個能量狀態(tài)。電子能量由主量子數(shù)n(n=1,2,…）決定。但是實際描寫原子中電子運動狀態(tài)，除能量外，還有軌道角動量L和自旋角動量s，它們都是量子化的，由相應的量子數(shù)來描述。對軌道角動量，波爾曾給出了量子化公式Ln＝nh，但這不嚴格，因這個式子還是在把電子運動看作軌道運動基礎上得到的。嚴格的能量量子化以及角動量量子化都應該有量子力學理論來推導。
量子理論告訴我們，電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時只能發(fā)生在l（角動量量子數(shù)）量子數(shù)相差±1的兩個狀態(tài)之間，這就是一種選擇規(guī)則。如果選擇規(guī)則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級，一旦電子被激發(fā)到這種能級上時，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，可使它在這種能級上的壽命很長，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級上。這種能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。但是，在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級，并放出光子。這種過程是被“激”出來的，故稱受激輻射。
受激輻射的概念世愛因斯坦于1917年在推導普朗克的黑體輻射公式時，第一個提出來的。他從理論上預言了原子發(fā)生受激輻射的可能性，這是激光的基礎。
受激輻射的過程大致如下：原子開始處于高能級E2，當一個外來光子所帶的能量hυ正好為某一對能級之差E2-E1,則這原子可以在此外來光子的誘發(fā)下從高能級E2向低能級E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個光子，就會出射兩個完全相同的光子。這意味著原來光信號被放大這種在受激過程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。
3、粒子數(shù)反轉
一個誘發(fā)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地原子數(shù)目比處在低能級的還多時，受激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢。由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關鍵是發(fā)光原子處在高能級的數(shù)目比低能級上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)）。因此，如何從技術上實現(xiàn)粒子數(shù)反轉則是產(chǎn)生激光的必要條件。
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