激光发射原理|光子学设计基础

激光是一种非常特殊的光源，自从1960年发明激光器后^[3]，光子学就成为近代光学的一部分。激光的英文单词laser是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射光放大）首字母的缩写。尽管该内容将在本书第7章详细研究，但现在需要简单介绍一下激光的产生过程。

在前面章节中注意到，如果满足式（4.14）要求，一个光子可以使原子系统从一个能态改变到另一个能态。该公式涉及光子能使系统从较低能态提升到较高能态。然而，如果光子作用时，系统已经处于两个能态中的较高能态，其作用就是向下跃迁到较低能态，仍与式（4.14）一致（现在是j<i），它也是正确的。该过程称为“受激发射”。由于其作用是造成系统发射一个能量为hν_ij的光子，该系统相应地失去一个光子，所以现在有了两个光子：“驱动”光子和出射光子。对于激光效应，该过程至关重要。一个经典的粗略模拟是：一个直流驱动力与一个固有振荡系统“反共振”，即以负相正交。在这种情况下，驱动力将接受系统的能量。

还必须认识到，没有位于较低能态的系统就没有处于稳定的平衡态。如果与外界相互反应，很明显会降到较低能态。因此，在一段完全处于平衡状态的短时间内，即使没有hν激励，处于E_i态的原子系统也将本能地降到较低能态E_j，这可以大致归类为非稳态，或亚稳态（一种较长的非稳态）。由这类跃迁产生的光子可以说是由自发发射而来的。

现在讨论具有能级E₀和E₁的两级原子系统（见图4.5a）。假设，以具有下面频率的电磁辐射表示该系统：

初始，如果该系统在温度T时处于热平衡状态，根据式（4.13），下式将两个能级内的原子数目联系在一起，即

所以，若E₁>E₀，则n₁<n₀。假设，在频率ν₁₀时辐射的光强度稳定地从零开始增大。如果低能级的跃迁概率在两个跃迁方向相同，则根据式（4.13），由于低能级上有更多原子，所以，与相反的过程相比，就会有更多原子从低能级跃迁到高能级。随着光强度增大，向下跃迁的数目（受激和自发）将随较高能态占有率的提高而增加，趋向于饱和状态；两种能态的（动态）占有率和两个方向上的跃迁速率是相等的。

图4.5　激光形成过程的能级图

现在，讨论图4.5b所示的三级系统，其中有最低能级E₀、亚稳态能级E₁和非稳态E₂。如果该系统（初始，处于热平衡）受到频率为ν₂₀=（E₂-E₁）/h的光照射，其作用是使大量原子从E₀升到E₂；然后由于自发发射（由于输入的光频率与该跃迁不一致），会快速衰退到能态E₁；最后，从该亚稳态（即较长非稳态）缓慢回到基态。在该环境下的结果是：能态E₁会比E₀有更多的原子。由于与玻耳兹曼分布（要求在高能态有较少原子）不一致，所以称为“反转占有率（或反转粒子数）”。假设，有第二束光入射到具有下面频率的反转粒子数，即

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结果是，从E₁到E₀的受激发射，可能会更多地产生向下跃迁（与从E₀到E₁的激励原子相比）。与受激吸收相比，会产生更多的受激光子，并且该光束会接受介质的“增益”（被放大）。也就是说，该介质被第一束光“泵浦”，为第二束光提供增益，通过受激辐射使光放大，此即激光。如果将该介质封装在一个两端平行且装有平面反射镜的光管中（见图4.6），可以使受激光子在反射镜间前后反射，其作用是激励更多光子。已经有了正反馈“放大器”，并制造出“振荡器”，如果其中一个反射镜是半透半反，则振荡器的部分能量就从光管中出射，并以光波形式出现，其频率为

若能级清晰明显，就可以精确确定该频率。若光管体积较大，泵浦功率大，而光管的横截面积又小，就会有较大的光强度；如果光能够在两个平行反射镜间反射传播，由于只能在光管内接受放大，所以会很好地得到准直；受激光子的相位锁定在与激励光子的相位，保持一致。所以，相位很精确，可以形成单色（窄频率范围）、相干（精确的相位）和高准直性的光，即激光。

图4.6　激光器结构示意图

简单的激光结构图，阐述了激光形成的主导思想。而通常使用的绝大多数激光器的激励和去激励方法相当复杂，读者应清楚了解这一点。为此，可以研究当今最通用的可见光激光器，即氦氖（He-Ne）激光器。该激光器系统的能级结构如图4.7a所示，图4.7b给出了基本的物理结构。

图4.7　氦氖激光器

一般地，在一种由1mmHg^[1]。压力下的氦（He）气和0.1mmHg压力下的氖（Ne）气组成的混合气体中放电，释放出的电子将原子激励成不同的激励态，并处于平衡状态，相当多的原子处于2¹S和2³S的亚稳态，如图4.7a所示。（这些规定源自光谱学的表示法，在许多原子物理学的书中都有详细阐述，如参考文献[4]，对于目前介绍的内容，无需完全理解它。）对于Ne原子，（根据量子论不利作用选择原理）这些亚稳态能级对应着S级，并没有受到放电的激励。通过原子的直接碰撞交换，将亚稳态He原子的能量转给Ne原子有非常高的概率。显然，激励后的Ne原子就形成反转粒子数，并没有对应的碰撞趋势使其粒子数减少，两个激励的Ne的能级很快衰退到图4.7a所示的具有很少粒子数反转的2P级，分别发射632.8nm和1150nm波长的光。激光器结构中，端反射镜具有波长选择性。其中一种波长安排为光学反馈，并由此受激发射。2P级中的原子自然衰退到第一级，进而通过与管壁碰撞，衰退到基态（最后的特征是将一个几何因子引入到激光器设计中，并且在激光器设计优化中是必须考虑的诸多因素之一）。一般地，若使用5～10W电激励（泵浦）功率，632.8nm的氦氖激光器会产生0.5～50mW的激光，效率并非特别高（0.05%）。

在理解了激光器工作原理和基本的设计思想后，对于本书第7章更为详细阐述的激光器就容易理解了。