現(xiàn)代很多領(lǐng)域中都使用了激光器,激光器在很多設(shè)備中都發(fā)揮著核心作用。今天我們一起學習一下激光器的工作原理。
1.光與物質(zhì)的三種相互作用
根據(jù)量子力學,原子中的電子有固定軌道和能級,能級間的能量量子化。當物質(zhì)受到光的輻照時,光與物質(zhì)(原子、分子、電子等)相互作用,存在三種光躍遷過程(three optical transition processes): 受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。以下討論輻射光與電子的相互作用,原子中的電子參見下圖。
1.1 受激吸收stimulated absorption
受激吸收,一般稱為吸收,原子中的電子吸收外來光場中的光子,從低能級躍遷至高能級,滿足hv=E2-E1,(受激)吸收使外來光子數(shù)減少,如下圖。
躍遷幾率(躍遷概率)為B12u(v)N1 ,其中B12為愛因斯坦B系數(shù),u(v)為光場,N1為低能級上的粒子數(shù)??梢娛芗の张c光場和低能級的粒子數(shù)有關(guān)系。
1.2 自發(fā)輻射spontaneous emission
自發(fā)輻射如下圖,激發(fā)態(tài)的粒子在初態(tài)處于高能級,處于不穩(wěn)定,向低能級躍遷,躍遷過程中輻射出光子,光子頻率滿足hv=E2-E1,。
自發(fā)輻射的躍遷幾率(transition probalility)為A21N2,其中A21為愛因斯坦A系數(shù),N2為高能級上的粒子數(shù)??梢娮园l(fā)輻射與高能級的粒子數(shù)有關(guān)系。A21的物理意義是指單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的粒子數(shù)密度,占E2能級總粒子數(shù)密度的百分比,即每一個處于E2能級的粒子在單位時間內(nèi)發(fā)生的自發(fā)躍遷幾率。
1.3 受激輻射stimulated emission
外來光子輻照至高能級的粒子,粒子結(jié)果產(chǎn)生向低能級躍遷,同時輻射出一個光子,這個光子與外來的入射光子波長頻率一致,滿足hv=E2-E1。受激輻射的光子與外來光子的特性完全相同,即具有相同的頻率、偏振方向、傳播方向以及相同的相位。這樣,輸入一個光子,輸出變成了兩個狀態(tài)完全相同的光子,并且這兩個光子可再作用于其他粒子,繼續(xù)引起受激輻射,從而獲得大量特征完全相同的光子。即實現(xiàn)了光放大作用。
受激輻射躍遷幾率為B21u(v)N2,B21愛因斯坦B系數(shù),受激輻射系數(shù),u(v)為光場,N2為高能級上粒子數(shù)??梢?,受激輻射與光場和處于高能級的粒子數(shù)有關(guān)。
1.4 受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別
受激輻射光有完全相同的相位關(guān)系,為相干光(coherent),例如激光。
自發(fā)輻射光沒有固定的相位關(guān)系,為非相干光(incoherent),例如燈泡和蠟燭發(fā)光。
如下圖:
相干光(coherent):
非相干光(incoherent,不同波長的光)
2.激光器原理
激光,受激而發(fā)的光,英文為laser, 是light amplification by stimulated emission of radiation的縮寫。從字面可以看出,激光的發(fā)光原理就是要使受激輻射占主導地位。使受激輻射占主導地位需要滿足兩個條件:一是實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn),二是要使增益大于損耗。
2.1 粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)
我們知道,粒子在各能級上的分布服從玻爾茲曼分布,如下圖,
室溫情況下,粒子都處于低能級上,高能級上沒有粒子。以溫度T=3000K的熱輻射光源,發(fā)射可見光500納米為例,N2/N1遠遠小于1,說明受激輻射強度遠遠小于自發(fā)輻射強度,受激輻射是可以忽略不計的。受激吸收(吸收光子)使得系統(tǒng)的光子數(shù)極大地減小。
粒子數(shù)的反轉(zhuǎn),就是使高能級E2的粒子數(shù)N2遠大于低能級E1的粒子數(shù)N1。激光器采用激勵抽運系統(tǒng)(多采用光學激勵或氣體放電激勵)實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn),如下圖:
泵浦源提供能量,將低能級E1上的粒子抽運輸送至高能級E3上(如果從E1抽運至E2,E2粒子處于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定,很快輻射躍遷至低能級E1,這樣抽運和輻射很快平衡,實現(xiàn)不了N2遠大于N1),高能粒子從E3躍遷至E2,高能級間E3至E2的躍遷是無輻射躍遷,即激發(fā)態(tài)粒子弛豫的過程。這樣,高能級上E2的粒子數(shù)就增多了,從而實現(xiàn)高能級E2上的粒子數(shù)比低能級E1上的粒子數(shù)多,即實現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn),使光實現(xiàn)放大。
2.2 增益大于損耗
激光器都設(shè)計為長條棒狀,如下圖:
激光器內(nèi)部有激光介質(zhì)1(激活介質(zhì)或工作介質(zhì)),泵浦源2提供能量,光學諧振腔兩端為反射鏡,一個鏡子為反射率100%的全反射鏡3,另一個鏡子反射率略小于100%為激光輸出反射鏡4。
光源發(fā)出光子,刺激高能級的反轉(zhuǎn)粒子,高能級的反轉(zhuǎn)粒子向低能級產(chǎn)生輻射躍遷,發(fā)出相同的光束,所以一個光子變成了2個光子,繼續(xù)向前傳播,2變4, 進而4變8,實現(xiàn)自發(fā)輻射的雪崩式放大,如下圖:
激光器中的光學諧振腔,將初次的出射光經(jīng)激光輸出鏡再反射回去,又進行一次放大,完成一次正反饋。
正反饋過程在來回反射過程中,初始很小的光,就會被放大到一個很高級別的光(指光子數(shù)從1被放大到很大很大),使得這個粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的體系里面的能量全部向這個方向集中,最后在輸出反射鏡這個地方,總有一點分量溢出耦合出來,即輸出激光。在這個放大過程中,在其他方向上同時也產(chǎn)生了少量損耗,但總體上,因諧振腔的放大作用,使增益大于損耗。
光學諧振腔的附加作用使激光頻率更加集中。
對于固定的共振系統(tǒng),只能響應(yīng)一個頻率,或其諧波(像吉他兩點之間的弦,改變兩點距離,發(fā)出不同頻率的聲音)。諧振腔中兩個鏡子是固定的結(jié)點,光就像弦。只有當光的波長是光程的半整數(shù)倍時,光來回的一個反射才是增強的,否則,會相干消掉。這個使得我們頻率也非常集中,所以輸出的激光光方向一致,波長集中。
激光的單色性特別高,空間相干性特別強,單色亮度非常高。激光幾乎都是平行的,向著一個方向。