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激光是如何产生的?

  • 发布时间:2021-12-14 13:39
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激光是如何产生的?

【概要描述】激光是如何产生的?

  • 发布时间:2021-12-14 13:39
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激光是20世纪的重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”[1]。激光的英文名称Laser(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)为首字母缩略词,意为受激辐射光放大,描述了激光产生的原理。下面,让我们来看看激光是如何产生的。

图1 图片来源于网络。

激光的理论基础

受激辐射的理论是激光产生的基础,这个理论在1917年由爱因斯坦提出。图2中展示了激光增益介质中的两个能级S1和S2,分别对应了激光跃迁的下能态和上能态。他们之间的能量差E2–E1等于hν普朗克常数与光波频率的乘积)。当系统处于能级S1时并受到能量为hν的光子照射时,有一定的概率吸收光子并跃迁至能级S2,这个过程叫做受激吸收(Stimulated Absorption)。当系统处于能级S2时,有一定的概率跃迁至能级S1并释放荧光光子hν,该过程被称为自发辐射 (Spontaneous Emission)。如果该系统正处于能级S2,并且受到hν的照射,该系统有一定概率释放出一个与入射光子频率、相位1、传播方向均相同的光子,这个过程被称为受激辐射 (Stimulated Emission):

图2 二能级系统与光子作用的示意图。

如果将这样含有大量处于S2能级分子的增益介质置于两个相向的平行反射镜之间(见图3),部分垂直于镜面的荧光光子可以通过受激辐射放大,形成自激振荡,从而发出激光。这个谐振腔左端的光学元件称为输出耦合器(Output Coupler),相当于具有一定透射率的反射面,是谐振腔内激光的出口。

图3 激光谐振腔工作示意图。

激光产生的关键

尽管激光的基础理论早已发表,直到1960年人们才制造出世界上第一台激光。这是因为缺乏有效方式将能量注入到受激辐射相关的能级系统中。在一般情况下,受激辐射非常微弱,甚至难以观测,更不要说用它来产生激光了。当物质处于热平衡状态时,分子在能级上的分布遵从玻尔兹曼分布,下能态S1上的粒子数N1远远大于上能态S2的粒子数N2,对hν光子的吸收远大于受激辐射,无法在宏观上实现光信号的放大。

激光产生的关键就在于实现粒子数反转,使N2>N1。目前的激光器工作时,需要采用适当的激励(泵浦)方式实现特定能级的粒子数反转。泵浦方式有用于Nd:YAG(钕钇铝石榴石)激光、Ti:Saphhire(钛宝石)激光以及染料激光等等的光泵浦,HeNe(氦氖)激光、准分子激光的放电泵浦等等。

这里以染料激光为例,介绍如何实现粒子数反转。染料激光的增益介质为有机染料溶液,常用的染料有蓝、紫光波段的香豆素(Coumarin),红、黄光波段的罗丹明(Rhodamine)等。如图4所示,有机染料的激光跃迁主要发生在S0和S1单重态的能带。这两个能带由许多转动和振动能级组成,在溶液中由于碰撞加宽,这两条能带可以看作是连续的。在激光产生过程中,染料分子受到泵浦光的照射从S0带的底层能级跃迁至S1带,然后迅速通过无辐射跃迁至S1的最底层能级,也就是激光跃迁的上能态。在激光跃迁中,分子跃迁至S0能带中的指定能级,并释放光子,随后迅速跃迁至S0能带的底层能级。因为激光跃迁的上能态S2具有较长的寿命,而S1的寿命十分短暂,又在泵浦光的作用下,大量分子被激发至上能态S2,粒子数反转就得以实现。在激光发生的同时,染料分子在S1带发生系间窜越(Intersystem Crossing)进入T1寿命较长的三重态系统脱离激光跃迁循环,影响激光效率。因此染料激光工作时,需要循环利用染料溶液。图5为工作中的染料激光器,可以看到循环系统的管路。

图4 染料激光器能级示意图。
图5 工作中的染料激光器。

激光的波长

很多激光器具有很好的单色性,即输出光的光谱带宽狭窄。激光的输出光谱是否狭窄,与以下几个因素有关。首先,激光增益介质与泵浦方式的决定了哪个波段的光子可以被放大。像气体激光器、准分子激光器、Nd:YAG激光器这样能级稀疏且能量分布狭窄的增益介质,产生的激光自然具有很窄的线宽。

另一方面,激光的单色性可以通过谐振腔调节。激光染料、Ti:Saphhire宝石具有能量较宽的能级,具有数十纳米的工作波长范围,如果需要产生单色性好的激光,需要设定谐振腔对不同光谱成分的衰减,达到对特定光谱成分的放大。在图6中绘制了染料激光器谐振腔的示意图。染料溶液装入透明的染料池中,置于激光光路中。泵浦光从垂直于谐振腔光路方向照射染料池实现泵浦。激光波长的调谐是通过谐振腔中的色散光路完成的。染料激光的谐振腔中放置了3000 g/mm的光栅,谐振腔中的光入射到光栅后根据波长沿不同角度出射。因此只有特定的波长的光(带宽约2 pm)线是垂直于在可以在谐振腔中起振发出激光。通过转动光栅可以选定激光波长。

图6 染料激光器谐振腔示意图。

通过输入种子光的方式,也可以对谐振腔的输出波长进行调节。通常,种子光的光谱带宽小于谐振腔工作波长的带宽。谐振腔的出光过程中,不同频率成分的光存在竞争关系。在激光产生初期,种子光能量远大于其他波长的能量,因此种子光吸收了增益介质中的大部分能量,并且抑制了非种子光成分的放大。使用单色性高的种子光可以减少谐振腔输出激光的带宽。

1 怎样理解相位这个概念呢?打个通俗的比方,在队列训练中,为了达到整齐的效果,不仅要求每一个成员的行进速度、方向、迈步频率一致,踢腿摆臂也要实现同步。这种同步即相位相同。

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