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透彻解析:激光到底是怎么来的

导读: 1960年,世界上的第一束人造激光刺破了加州修斯实验室的宁静,西奥多·梅曼发明的红宝石激光器,开启了人类创造激光、利用激光改造世界的大门。此后五十余年来,激光科学发展迅猛,激光技术的普及应用也从方方面面走进了人们的生活。本文将用相对通俗的语言,为大家讲解激光形成的原理。

1960年,世界上的第一束人造激光刺破了加州修斯实验室的宁静,西奥多·梅曼发明的红宝石激光器,开启了人类创造激光、利用激光改造世界的大门。此后五十余年来,激光科学发展迅猛,激光技术的普及应用也从方方面面走进了人们的生活。但多数人只是知道激光有这样那样的用途,却不知道激光到底是怎么来的。因此,本文将用相对通俗的语言,为大家讲解激光形成的原理。

透彻解析:激光到底是怎么来的

要弄懂激光形成的原理,首先了解一下什么是能级。简单来说,能级就是每一个原子(实际上核外电子)携带一定能量的状态,不同的能级表示原子携带的能量不同。能级越高,意味着核外电子能量越高,越容易脱离原子核的束缚。为方便理解,以原子结构最简单的氢原子为例进行讲解。

透彻解析:激光到底是怎么来的

氢原子能级结构图

n表示量子数,对应原子的能级E。n=1时,表示的是氢原子稳定状态下的能级,称为基态(E1能级)。n=2、3、4等,称为激发态(E2能级、E3能级、E4能级等)。根据丹麦物理学家玻尔的理论,原子处于稳定的基态时,如果受到外界的激发,吸收相应的外界能量,会跃迁到较高的能级上形成激发态。而原子在激发态时是不稳定的,当原子处于激发态时会自发地向较低能级跃迁,经过一次或几次跃迁到达基态,在向低能级跃迁的过程中会释放相应能量。这个相应能量以一定频率的光子的形式存在,可由能级图右侧数值计算得出,光子能量E=hν=Em-En。h是物理学家测出的固定值(普朗克常量),ν表示光子的频率(由激发态向基态跃迁时释放光子的频率,就是原子对外辐射光的频率,形成激光时也就是该激光的频率,这决定了激光的波长λ=c/ν,c为光速)。

理解能级结构之后,来看看激光是怎么形成的。同样为方便理解,还是以结构最简单的红宝石激光器为例进行讲解。红宝石激光器属于固体激光器,工作物质是红宝石棒,晶体基质为Al2O3,掺有占总重量0.05%的Cr2O3。红宝石中的激光作用是通过Cr3+(铬离子)的受激发射过程而实现的,因而Cr3+通常称为激活离子,它是红宝石中产生激光的“主体”。而红宝石的主要成分氧化铝只是容纳铬离子的基质,对激光作用只起间接作用。其能级结构如图所示:

透彻解析:激光到底是怎么来的

当泵浦光照射红宝石时,处于基态的Cr3+离子吸收特定波长的光跃迁到E3能级,Cr3+离子在这个能级上寿命很短(极不稳定,约存在10-9s),因而迅速通过无辐射跃迁(无辐射跃迁是指原子通过原子碰撞的形式将能量与外界进行交换,即晶体内部热运动,从而发生能级改变,期间既不发射也不吸收光子)跃迁到E2能级。E2能级寿命较长(约有3ms),称为亚稳态能级,在这个能级上可以聚集较多的Cr3+离子。当外界泵浦足够强的时候,会在E2能级和E1能级间形成粒子数反转,即E2能级上Cr3+离子数量比E1能级多。在实现粒子数反转后,每一个能量为hν的外来光子都将激发E2能级上的一个原子使其跃迁到基态,同时释放一个能量为hν的光子,光子总能量也就1变2,2变4,4变8……从而实现了受激辐射放大(增益)过程。由于光学谐振腔对光增益存在损耗,只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗时,才会输出激光。

下面对红宝石激光器结构进行讲解,有条件的话,可以自己动手制作一个简易的红宝石激光器哦。

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