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激光怎么弄?總結(jié)很全面速看!激光是如何產(chǎn)生的?

激光是20世紀(jì)的主要發(fā)明,被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)確的人”、“最明亮的光”[1]。

激光的英文名稱Laser(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)為首字母縮略詞,意為受激輻射光放大,描述了激光產(chǎn)生的原理。下面,讓我們來看看激光是如何產(chǎn)生的。

圖1 圖片來源于網(wǎng)絡(luò)。

激光的理論基礎(chǔ)

受激輻射的理論是激光產(chǎn)生的基礎(chǔ),這個(gè)理論在1917年由愛因斯坦提出。圖2中展示了激光增益介質(zhì)中的兩個(gè)能級S1和S2,分別對應(yīng)了激光躍遷的下能態(tài)和上能態(tài)。他們之間的能量差E2–E1等于hν(普朗克常數(shù)與光波頻率的乘積)。當(dāng)系統(tǒng)處于能級S1時(shí)并受到能量為hν的光子照射時(shí),有一定的概率吸收光子并躍遷至能級S2,這個(gè)過程叫做受激吸收(Stimulated Absorption)。當(dāng)系統(tǒng)處于能級S2時(shí),有一定的概率躍遷至能級S1并釋放熒光光子hν,該過程被稱為自發(fā)輻射 (Spontaneous Emission)。如果該系統(tǒng)正處于能級S2,并且受到hν的照射,該系統(tǒng)有一定概率釋放出一個(gè)與入射光子頻率、相位1、傳播方向均相同的光子,這個(gè)過程被稱為受激輻射 (Stimulated Emission):

圖2 二能級系統(tǒng)與光子作用的示意圖。

如果將這樣含有大量處于S2能級分子的增益介質(zhì)置于兩個(gè)相向的平行反射鏡之間(見圖3),部分垂直于鏡面的熒光光子可以通過受激輻射放大,形成自激振蕩,從而發(fā)出激光。這個(gè)諧振腔左端的光學(xué)元件稱為輸出耦合器(Output Coupler),相當(dāng)于具有一定透射率的反射面,是諧振腔內(nèi)激光的出口。

圖3 激光諧振腔工作示意圖。

激光產(chǎn)生的關(guān)鍵

盡管激光的基礎(chǔ)理論早已發(fā)表,直到1960年人們才制造出世界上第一臺(tái)激光。這是因?yàn)槿狈τ行Х绞綄⒛芰孔⑷氲绞芗ぽ椛湎嚓P(guān)的能級系統(tǒng)中。在一般情況下,受激輻射非常微弱,甚至難以觀測,更不要說用它來產(chǎn)生激光了。當(dāng)物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí),分子在能級上的分布遵從玻爾茲曼分布,下能態(tài)S1上的粒子數(shù)N1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上能態(tài)S2的粒子數(shù)N2,對hν光子的吸收遠(yuǎn)大于受激輻射,無法在宏觀上實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大。

激光產(chǎn)生的關(guān)鍵就在于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),使N2>N1。目前的激光器工作時(shí),需要采用適當(dāng)?shù)募?lì)(泵浦)方式實(shí)現(xiàn)特定能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦方式有用于Nd:YAG(釹釔鋁石榴石)激光、Ti:Saphhire(鈦寶石)激光以及染料激光等等的光泵浦,HeNe(氦氖)激光、準(zhǔn)分子激光的放電泵浦等等。

這里以染料激光為例,介紹如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。染料激光的增益介質(zhì)為有機(jī)染料溶液,常用的染料有藍(lán)、紫光波段的香豆素(Coumarin),紅、黃光波段的羅丹明(Rhodamine)等。如圖4所示,有機(jī)染料的激光躍遷主要發(fā)生在S0和S1單重態(tài)的能帶。這兩個(gè)能帶由許多轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級組成,在溶液中由于碰撞加寬,這兩條能帶可以看作是連續(xù)的。在激光產(chǎn)生過程中,染料分子受到泵浦光的照射從S0帶的底層能級躍遷至S1帶,然后迅速通過無輻射躍遷至S1的最底層能級,也就是激光躍遷的上能態(tài)。在激光躍遷中,分子躍遷至S0能帶中的指定能級,并釋放光子,隨后迅速躍遷至S0能帶的底層能級。因?yàn)榧す廛S遷的上能態(tài)S2具有較長的壽命,而S1的壽命十分短暫,又在泵浦光的作用下,大量分子被激發(fā)至上能態(tài)S2,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就得以實(shí)現(xiàn)。在激光發(fā)生的同時(shí),染料分子在S1帶發(fā)生系間竄越(Intersystem Crossing)進(jìn)入T1壽命較長的三重態(tài)系統(tǒng)脫離激光躍遷循環(huán),影響激光效率。因此染料激光工作時(shí),需要循環(huán)利用染料溶液。圖5為工作中的染料激光器,可以看到循環(huán)系統(tǒng)的管路。

圖4 染料激光器能級示意圖。

圖5 工作中的染料激光器。

激光的波長

很多激光器具有很好的單色性,即輸出光的光譜帶寬狹窄。激光的輸出光譜是否狹窄,與以下幾個(gè)因素有關(guān)。首先,激光增益介質(zhì)與泵浦方式的決定了哪個(gè)波段的光子可以被放大。像氣體激光器、準(zhǔn)分子激光器、Nd:YAG激光器這樣能級稀疏且能量分布狹窄的增益介質(zhì),產(chǎn)生的激光自然具有很窄的線寬。

另一方面,激光的單色性可以通過諧振腔調(diào)節(jié)。激光染料、Ti:Saphhire寶石具有能量較寬的能級,具有數(shù)十納米的工作波長范圍,如果需要產(chǎn)生單色性好的激光,需要設(shè)定諧振腔對不同光譜成分的衰減,達(dá)到對特定光譜成分的放大。在圖6中繪制了染料激光器諧振腔的示意圖。染料溶液裝入透明的染料池中,置于激光光路中。泵浦光從垂直于諧振腔光路方向照射染料池實(shí)現(xiàn)泵浦。激光波長的調(diào)諧是通過諧振腔中的色散光路完成的。染料激光的諧振腔中放置了3000 g/mm的光柵,諧振腔中的光入射到光柵后根據(jù)波長沿不同角度出射。因此只有特定的波長的光(帶寬約2 pm)線是垂直于在可以在諧振腔中起振發(fā)出激光。通過轉(zhuǎn)動(dòng)光柵可以選定激光波長。

圖6 染料激光器諧振腔示意圖。

通過輸入種子光的方式,也可以對諧振腔的輸出波長進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常,種子光的光譜帶寬小于諧振腔工作波長的帶寬。諧振腔的出光過程中,不同頻率成分的光存在競爭關(guān)系。在激光產(chǎn)生初期,種子光能量遠(yuǎn)大于其他波長的能量,因此種子光吸收了增益介質(zhì)中的大部分能量,并且抑制了非種子光成分的放大。使用單色性高的種子光可以減少諧振腔輸出激光的帶寬。

1 怎樣理解相位這個(gè)概念呢?打個(gè)通俗的比方,在隊(duì)列訓(xùn)練中,為了達(dá)到整齊的效果,不僅要求每一個(gè)成員的行進(jìn)速度、方向、邁步頻率一致,踢腿擺臂也要實(shí)現(xiàn)同步。這種同步即相位相同。

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