以半导体激光器为例说明产生激光的原理和条件

Question

如题所述

Answer 1

听我娓娓道来。

首先，激光的英文叫Laser light amplification by stimulated emission of radiation. 就是通过受激发射实现光放大。

光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放大作用，经过震荡和放大，实现拥有单色性、准直性、相干性非常好的光束，这个就是激光。

激光器有很多种类型，但他的必要组成部分无外乎： 谐振腔、增益介质、泵浦源。
形成激光的一个重要条件是，粒子数反转，就是导带的粒子数密度大于价带（半导体）或高能级的粒子数密度大于低能级（气体或固体），激光的现象就是在这样一种偏离了平衡态的稳态。

半导体激光器比起固体激光器和气体激光器，结构上还是有很大区别的。半导体激光器一般是三层或多层异质结结构，这样由于折射率的的内大外小自然构成了光约束，又由于异质结结构形成的量子井结构（最早的半导体激光器不是量子井结构的，随着MBE的半导体加工技术的应用，单井和多井结构得以实现），对载流子形成了约束，使受激发射大都发生在增益介质的带边，这样就大大提高了激光器的效率。 半导体激光器是电泵浦的，不同于气体激光器或固体激光器的光泵浦。

半导体激光器的工作过程是这样的，由于外加电场的作用，载流子开始移动，由于量子井的存在，载流子开始在量子井中堆积，然后一部分导带的电子会自发跃迁回价带放出一个能量等于带隙宽度（band gap）的光子，这个过程叫自发发射，一部分自发发射的光子会被吸收，再放出两个光子，这个过程叫受激发射，这样自发发射的光子成为了最初的泵浦光，然后不断的发生受激发射，受激发射的光子会在增益介质中不断震荡，不断的使更多的光子受激发射出来，当外加电场强度达到粒子数反转所需强度之后一段时间，便会有稳定的激光输出了。

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这个过程当中有很多很多细节问题，不明白可以问我。

Answer 2

激光是由于在半导体内有围绕着原子核转动的电子，电子是分能量级在电子核外运动的，就像卫星绕地球运动一样，离地球越远的电子所具有的势能也越大，但却无法跳出原子核的束缚，所以只有当有外界能源介入并吸收能量时，电子才可以逃离原子核的束缚，从而形成激光。而这个能力的吸收往往是通过电能或者光能等来实现的。