激光产生的机理及优化方法

受激辐射是产生激光的首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级，这是产生激光的第二个条件。在常温下，吸收多于发射。选择适当的物质，使其在亚能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子数反转，使受激发射多于吸收。这是产生激光的第三个条件。激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个振荡腔。这是产生激光的第四个条件。只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，才能有放大作用，这是产生激光的第五个条件。

能级跃迁（电子跃迁），电子从某一能层（电子层／电子亚层）跃迁到另一能层。其间，电子完成基态、激发态之间的转变。

氢原子能级：原子各个定态对应的能量是不连续的，这些能量值叫作能级。

①能级公式：En＝E1／n2

②半径公式：rn＝r1·n2

在氢光谱中，

n＝2，3，4，5，……向n＝1跃迁发光形成赖曼线系；

n＝3，4，5，6……向n＝2跃迁发光形成巴耳末线系；

n＝4，5，6，7……向n＝3跃迁发光形成帕邢线系；(www.xing528.com)

n＝5，6，7，8……向n＝4跃迁发光形成布喇开线系，

其中只有巴耳末线系的前4条谱线落在可见光区域内，见图4.2。

图4.2　跃迁发光图

③能量最低的能级叫作基态，其他能级叫作激发态。电子“远离”原子核，不再受原子核的吸引力时的状态叫作电离态，电离态的能级为0（电子由基态跃迁到电离态时，吸收的能量最大）。

能级跃迁的概念来自Niels Bohr的氢原子模型。在Bohr－Sommerfeld模型中，氢原子的轨道能级是分立的，电子的能量只能取13.6 eV的n倍，其中n为正整数。电子可以在各个能级间跃迁并放出（或吸收）特定频率的光子，但不能处在两个能级间的状态。这很好地解释了氢原子的发射光谱是分立的而非连续的。

处于激发态的原子不能长时间停留在高能级。即使没有外界作用，也会自发地由高能级向低能级跃迁，并辐射一个光子。因为原子的这种自发辐射是完全独立的，所以，不同原子发射光子的方向全然不同。刹那间，工作物质中出现沿四面八方传播的光子，假定工作物质具有圆柱形，这些自发辐射光子必有一部分沿其中心轴的方向传播，多数则与中心轴有一定夹角。后一类“离心离德”的光子很快从工作物质的侧面逃逸出去，对激光的产生没有多大影响；前一类“同心同德”的光子在沿工作物质中心轴方向运动时，将引起路径上处于高能级原子的受激辐射，产生与其具有相同频率、相同位相，并沿相同方向传播的光子。该光子与诱发它的光子“齐心协力，并肩战斗”，激励其他原子辐射与它们相同的光子。如此下去，使光子数由1到2，由2到4，……以神奇的速度按指数规律增长。更为神奇的是，由于所有这些光子都是逐次受激辐射产生的，这使它们全部具有相同频率、相同初位相、相同偏振态，并沿相同方向传播。

理论上讲，只要工作物质足够长，则不管初始自发辐射有多弱，最终总可以被放大到一定强度。但在实际激光器中，一般来说，工作物质既没有必要，也没有可能特别长（最近发展起来的以光纤为工作物质的激光器是一个例外），通常的做法是在其两端各放一块反射镜，使光得以来回反射多次通过工作物质并被不断放大，为充分利用光能，介质往往被置于一聚光腔体中，后者与端面反射镜共同构成激光谐振腔。