激光是如何产生的?

Question

如题所述

Answer 1

　　激光是光学原理的一种应用，但是究竟要怎么样才能从普通的光线变成激光？这就得先了解原子发光的原理。一个原子从高能阶降到低能阶时，会放出一个光子，叫做自发放光。原子在高能阶时受到一个光子的撞击，就会受激而放出另外一个相同的光子，变成两个光子，叫做受激放光。如果受激放光的过程持续产生，则所发出来的光子便会越来越多。只要我们把高能阶的原子数量控制在高于低能阶的原子数量，那么受激放光的过程就会持续产生，这种控制原子受激放光的装置我们称它为“光放大器”。

　　我们也知道，光线发射出去时是以光速朝各个方向前进的，为了让产生的光线能够被收集起来并持续放大加以利用，则必须利用叫做「共振腔」的设备，把由光放大器所产生的光线用反射镜局限在一个特定的范围内，让光线可以来回反射，且由于光放大器所产生的光子是相同的，所以行进的方向也会相当一致。透过共振腔的作用，能让光线行进的方向完全相同，也就是说拥有跟共振腔相同方向的光线才会被放大，其余不同方向的光线都不会放大，这是产生激光的首要条件。

　　共振腔还有另外一个作用，那就是限制激光的频率。光线要在共振腔产生共振必须符合 L = nλ／2 的关系（L 是共振腔长度，λ 是波长，n 是固定倍数），所以并非所有频率的光线都可以在共振腔中产生共振，而是只有符合这规则的才会产生共振。不过，共振腔的长度（L）可以长达数公尺，而光的波长（λ）却是以微米为单位，这两者之间相差了 100 万倍，也就是说符合条件的 n 范围相当大，而非只有单一频率。可以同时发出这么多频率的光，就给了我们建造脉冲激光的条件。

　　激光入门知识 http://33tt.com/article/2004-03/17.htm

参考资料：http://33tt.com/article/2005-12/809.htm

Answer 2

激光产生的机理是什么

受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。

受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。

一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。

激光器一般包括三个部分。

1、激光工作介质

激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。

2、激励源

为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

3、谐振腔

有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。

http://www.jskx.org.cn/web/docview.aspx?id=453072612

Answer 3

半导体激光器（激光二极管）的工作原理