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激光产生的背景及原理

2008-07-01 11:10
风频浪劲
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   处于粒子数反转分布状态的工作物质是如何产生激光的呢?激光谐振腔又起什么作用呢?下面就来回答这些问题。  
  
  
   如前所述,处于激发态的原子不能长时间停留在高能级。即使没有外界作用,也会自发地由高能级向低能级跃迁,并辐射一个光子。因为原子的这种自发辐射是完全独立的,所以,不同原子发射光子的方向全然不同。刹那间,工作物质中出现沿四面八方传播的光子,假定工作物质具有圆柱形状,这些自发辐射光子必有一部分沿其中心轴的方向传播,多数则与中心轴有一定夹角。后一类“离心离德”的光子很快从工作物质的侧面逃逸出去,对激光的产生没有多大影响;前一类“同心同德”的光子在沿工作物质中心轴方向运动时,将引起路径上处于高能级原子的受激辐射,产生与其具有相同频率、相同位相,并沿相同方向传播的光子。该光子与诱发它的光子“齐心协力,并肩战斗”,激励其他原子辐射与它们相同的光子。如此下去,使光子数由1到2,由2到4,……以神奇的速度按指数规律增长。更为神奇的是,由于所有这些光子都是逐次受激辐射产生的,这使它们全部具有相同频率、相同初位相、相同偏振态,并沿相同方向传播。  
  
  
   理论上讲,只要工作物质足够长,则不管初始自发辐射有多弱,最终总可以被放大到一定强度。但在实际激光器中,一般来说,工作物质既没有必要,也没有可能特别长(最近发展起来的以光纤为工作物质的激光器是一个例外),通常的做法是在其两端各放一块反射镜,使光得以来回反射多次通过工作物质并被不断放大,为充分利用光能,介质往往被置于一聚光腔体中,后者与端面反射镜共同构成激光谐振腔。  
  
  
   由以上的讨论可以看出,激光作为一种光,与自然界其他发光一样,是由原子(或分子、离子等)跃迁产生的,而且是由自发辐射引起的。不同的是,普通光源自始至终都是由自发辐射产生的,因而含有不同频率(或不同波长、不同颜色)的成分,并向各个方向传播。激光则仅在最初极短的时间内依赖于自发辐射,此后的过程完全由受激辐射决定。正是这一原因,使激光具有非常纯正的颜色,几乎无发散的方向性,极高的发光强度。而正是这些神奇的特性,使激光在各个领域具有一系列令人难以置信而又不得不相信的应用。  
   
  
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