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激光的产生及应用 魏山城 第一章 激光的产生与特性 一、激光简介 本章将概述激光的形式和特性，着重于介绍有关的物理思想，使大家在学习这门课程的开始，对激光有一个全貌的了解。 “激光”一词来源于英文“Laser“（即Light Amplification StimuLated Emission of Radiation）受激辐射光放大的词头字母缩写而成的，顾名思义，激光产生的本质就是受激辐射的光放大。 1917年，爱因斯坦在推导普朗克的黑体辐射公式时，首先提出了受激辐射的概念，并从理论上预言了存在着原子受激发射的可能性，为激光的问世奠定了基础。他的这一发现，直到1954年以前并未被人利用。1954年，汤斯（G·H·ToWnes）和他的学生利用受激发射原理研制成氨的微波量子放大器（MicroWarve Amplification by Stimulated Emission Radiation 简称Maser）。1958年，肖洛和汤斯首次从实验上实现了受激辐射的放大，将微波的这一原理推广到光频波段。1960年，由梅曼（T·H·Maiman）制成了世界上第一台激光器，激活介质是红宝石。几个月后，加凡又研制成了工作在1.15微米的氦-氖气体激光器。至此，古老的光学开始了一个新的时代——激光时代。 激光的问世，不仅在光学领域发生了一场革命，同时，也给其它许多领域带来了长远而深刻的影响，由此产生了许多新的边缘学科。比如激光与生物、化学等相结合而产生的激光生物学、激光化学等，使激光发展成为一门具有广泛应用领域的学科。 那么，激光是怎样产生的？它有什么特性？在量子力学中我们知道辐射与物质的相互作用主要有三种形式，即自发发射、吸收发射和受激发射。由受激发射过程所产生的光子与辐射场中的激发光子在频率、相位、偏振方向和传播方向上都具有完全一致的特征，即受激发射光子与激发光子有完全相同的性质。下面就从辐射现象的基本规律入手加以讨论。 在研究辐射现象时，我们已有三个熟悉的公式：黑体辐射的单色能量密度： ρν=8πν2n3/c3·hνexp(hν/KT)-1 （1-1-1） 这是著名的普朗克公式，此外还有两个描述爱因斯坦A·B系数间相互关系的公式，即：q1B12=q2B21 （1-1-2） A21=επν2n3/c3B21hν （1-1-3） 式中q1、q2为能级简并度，n为介质折射率，A21为自能级2向能级1自发发射跃迁几率，B21与入射电磁波的单色能量密度ρν相乘，即B21ρν是能级2向能级1受激发射跃迁几率，同样B12ρν为受激吸收跃迁几率。在大多数情况下，入射电磁波单色能量密度并不等于（1-1-1）式描述的黑体辐射的单色能量密度。 对于上面的三个公式推导我们可参看有关资料，但对这些公式的含意，将在下面§1-3中叙述，因为它们与激光的形成和特性有着密切的关系。 在一般的热平衡状态下，各能级上的粒子数分布服从玻耳兹曼统计分布 n2/n1=exp〔-（E2-E1）/KT〕 （1-1-4） 式中，n1，n2分别表示低能级和高能级的粒子数；E1，E2分别表示低能级和高能级的能量；K为玻耳兹曼常数；T为绝对温度。因为E2＞E1，故n1＞n2，即在热平衡状态下，高能级上的粒子数始终少于低能级上的粒子数，如图1-1所示。 图1-1处于热平衡态时上下能级粒子数分布情况 此时，若有一束频率为ν=（E2-E1）h的光通过物质时，被吸收光子数将恒大于受激发射光子数，因此，处于热平衡状态下的物质不能实现受激辐射的放大。 然而，当外界向物质提供能量（称为激励或泵浦过程），使物质处于非热平衡状态时，就有可能实现高能级上的粒子数比低能级上的粒子数多，满足这种现象称为粒子数反转，就可产生受激辐射的光放大，这种物质称为激活物质。如图1-2所示。但是，这种光放大还是以一个辐射场光子感应产生一个受激发射光子的单次过程为主，不能形成有固定方向和相干性好的光放大——激光。而要形成激光，还需要另一个条件，即正反馈系统条件。这样将激活介质置入正反馈系统中，就可以使受激辐射光子多次通过激活物质，感应产生大量的同态受激发射光子，实现方向性和相干性都很好的激光。 在激光中，实际起着正反馈作用的是光学谐振腔，简称“光腔”，通常以两个互相平等的反射镜和石英玻璃管构成。它的主要作用有三个：第一，提供正反馈，使光放大能在腔中稳定地振荡，为产生大量同态受激发射光子提供保证；第二，将腔内的一部分激光集合输出；第三，保证激光的单色性和方向性，即选模。 图1-2 气体激光器的结构 一个完整的激光器应由以下几个部分组成，即激活媒质和实现正反馈的光学谐振腔，使激活媒质处于粒子数反转分布状态的泵浦源（激励