激光產(chǎn)生原理

了解激光產(chǎn)生原理，我們必先了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，與及光的輻射和吸收的原理。

{josimage}物質(zhì)由原子組成。圖一是一個(gè)碳原子的示意圖。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布滿著帶負(fù)電的電子，繞著原子核運(yùn)動(dòng)。有趣的是，電子在原子中的能量并不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們，這些電子會(huì)處于一些固定的「能階」，不同的能階對(duì)應(yīng)于不同的電

子能量。為了簡(jiǎn)單起見，我們可以如圖一所示，把這些能階想象成一些繞著原子核的軌道，距離原子核越遠(yuǎn)的軌道能量越高。此外，不同軌道最多可容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道

(也是最近原子核的軌道)

最多只可容納2個(gè)電子，較高的軌道則可容納8個(gè)電子等等。事實(shí)上，這個(gè)過份簡(jiǎn)化了的模型并不是完全正確的，但它足以幫助我們說明激光的基本原理。

電子可以透過吸收或釋放能量從一個(gè)能階躍遷至另一個(gè)能階。例如當(dāng)電子吸收了一個(gè)光子時(shí)，它便可能從一個(gè)較低的能階躍遷至一個(gè)較高的能階

同樣地，一個(gè)位于高能階的電子也會(huì)透過發(fā)射一個(gè)光子而躍遷至較低的能階

在這些過程中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長(zhǎng)，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。

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當(dāng)原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能階時(shí)，整個(gè)原子的能量最低，我們稱原子處于基態(tài)。圖一顯示了碳原子處于基態(tài)時(shí)電子的排列狀況。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)電子處于較高的能階時(shí)，我們稱原子處于受激態(tài)。前面說過，電子可透過吸收或釋放在能階之間躍遷。躍遷又可分為三種形式﹕

1.自發(fā)吸收

電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階

2.自發(fā)輻射

電子自發(fā)地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階

3.受激輻射

光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長(zhǎng)和相，此波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)能階的能量差。一個(gè)光子誘發(fā)一個(gè)原子發(fā)射一個(gè)光子，最后就變成兩個(gè)相同的光子

{josimage}激光基本上就是由第三種躍遷機(jī)制所產(chǎn)生的。圖三顯示紅寶石激光的原理。它由一枝閃光燈，激光介質(zhì)和兩面鏡所組成。激光介質(zhì)是紅寶石晶體，當(dāng)中有微量的鉻原

子。在開始時(shí)，閃光燈發(fā)出的光射入激光介質(zhì)，使激光介質(zhì)中的鉻原子受到激發(fā)，最外層的電子躍遷到受激態(tài)。此時(shí)，有些電子會(huì)透過釋放光子，回到較低的能階。

而釋放出的光子會(huì)被設(shè)于激光介質(zhì)兩端的鏡子來回反射，誘發(fā)更多的電子進(jìn)行受激輻射，使激光的強(qiáng)度增加。設(shè)在兩端的其中一面鏡子會(huì)把全部光子反射，另一面鏡

子則會(huì)把大部分光子反射，并讓其余小部分光子穿過﹔而穿過鏡子的光子就構(gòu)成我們所見的激光。

{josimage}產(chǎn)生激光還有一個(gè)巧妙之處，就是要實(shí)現(xiàn)所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。以紅寶石激光為例

原子首先吸收能量，躍遷至受激態(tài)。原子處于受激態(tài)的時(shí)間非常短，大約

秒后，它便會(huì)落到一個(gè)稱為亞穩(wěn)態(tài)的中間狀態(tài)。原子停留在亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間很長(zhǎng)，大約是

秒

或更長(zhǎng)的時(shí)間。電子長(zhǎng)時(shí)間留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵，因?yàn)樗雇高^受

激輻射由亞穩(wěn)態(tài)回到基態(tài)的原子，比透過自發(fā)吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證了介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，以輸出激光。

——來源：勵(lì)光解芷容