激光的产生原理详解

众所周知，所有珠宝玉石都由不同的原子组成，原子由原子核和核外电子组成，电子按照一定的规则排列，并围绕原子核不停地旋转。每个电子都有它自已特定的轨道，不同的轨道具有不同的能量。离原子核越近，轨道的能量越低。激光的产生主要涉及外层电子，当外层轨道能量相对低的电子吸收了一定的能量（如光照的能量）后，就会跳到高一级能量的轨道上去，即由基态跃迁至激发态。设基态能量为E1、激发态能量为E3。处于激发态的电子有释放所吸收的能量并跳回基态的本能，释放能量的方式有两种：一种是变为热运动的能量，叫作无辐射跃迁；另一种是以光的辐射形式放出能量，叫作自发辐射跃迁。我们日常接触到的各种普通光源，如电灯、日光灯、高压水银灯、氙灯等发出来的光，都是由自发辐射跃迁所产生的。所以，这两种情况都不能产生激光，只有在某些特殊条件下，激光才能产生。

研究（激光编写组，1971）表明，当以下4个条件同时具备时，就有可能产生激光：

（1）有过渡元素存在（如红宝石中的铬元素）。这些元素的原子在静电场的作用下，外层电子会产生能级分裂。众所周知，1mol物质约含6.023×1023个原子，这些原子都可能被电场分裂能级，从而产生很多分裂能级。这些能级的电子很容易被激发，这样，就有可能形成许多激发态电子。可是，处于分裂后不同能级的原子，其基态能级不一样，所以吸收同样的能量后激发态能级也不一样，这就有一种可能：会产生一些能级能量小于E3的激发态能级（设其能量为E2），即能级卡在了中间。

（2）电子停留在E3上的时间很短，而停留在E2上的时间很长，整个激光材料在停留于E2阶段时大量积聚电子。当激光材料E2上的电子数超过基态能级E1上的电子数（即粒子数反转）时，处于这种状态的激光材料可以产生雪崩式的光放大作用。这是形成激光的前提条件[图9-1（a）]。

如图9-1（b）所示，粒子数反转这个过程可以利用水泵体系进行直观的模拟。水泵把水池E1中的水提升到水箱E3中，水箱E3中的水通过管道1可以很迅速地流入水箱E2中。水箱E2有两根管道通向水池E1：管道2（很细）和管道3（很粗）。由于管道2很细，流量很小，而管道3中间又被活塞T所阻塞，因此水箱E2就可以积聚大量的水，甚至超过水池E1的水量，这就是粒子数反转形成的过程。当外力（hv）将活塞打开时，水箱E2中的水就会大量地流入水池E1。

（3）外来一束光子不仅能激发基态能级E1上的电子，同时会提供能量给E2上的电子（相当于把活塞打开的能量），促使大量E2上的电子迅速返回基态能级E1。实验证明，当外来一束光子的能量恰好等于E2和E1的差时，在E2和E1能级之间就会存在大量光子，达到粒子数反转的条件时，将光子引进光学共振腔[在激光材料（如红宝石）的两头加两块相互平行的反射镜即可形成]后，就能产生激光。(www.xing528.com)

（4）在激光器的光学共振腔内，传播方向与反射镜垂直的光，在介质中会被来回反射，受激辐射强度越来越大，使大量的发光粒子相互关联地向着一个方向发光，这一过程使光不断地得到放大，并且越来越强，以至受激辐射强度大大地超过了自发辐射强度。若把其中一块反射镜中心的2%做成可以透过光的，此时即有大量的光射出，即激光（图9-2）。

图9-1　激光器能级间粒子数反转的形成过程示意图（a）和水泵模拟过程示意图（b）

（注：hv为光子能量；hv′为受激辐射跃迁的光子能量；T为活塞）

图9-2　光学共振腔中形成激光的过程示意图