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激光器的工作原理

  • 发布时间:2022-03-29 14:06
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激光器的工作原理

【概要描述】激光的发光原理就是要使受激辐射占主导地位。使受激辐射占主导地位需要满足两个条件:一是实现粒子数的反转,二是要使增益大于损耗。

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现代很多领域中都使用了激光器,激光器在很多设备中都发挥着核心作用。那激光器的工作原理是什么呢?

1.光与物质的相互作用

根据量子力学,原子中的电子有固定轨道和能级,能级间的能量量子化。当物质受到光的辐照时,光与物质(原子、分子、电子等)相互作用,存在三种光跃迁过程(three optical transition processes): 受激吸收、自发辐射、受激辐射。

2.激光器原理

激光,受激而发的光,英文为laser, 是light amplification by stimulated emission of radiation的缩写。从字面可以看出,激光的发光原理就是要使受激辐射占主导地位。使受激辐射占主导地位需要满足两个条件:一是实现粒子数的反转,二是要使增益大于损耗。

激光器内部有激光介质1(激活介质或工作介质),泵浦源2提供能量,光学谐振腔两端为反射镜,一个镜子为反射率100%的全反射镜3,另一个镜子反射率略小于100%为激光输出反射镜4。

光源发出光子,刺激高能级的反转粒子,高能级的反转粒子向低能级产生辐射跃迁,发出相同的光束,所以一个光子变成了2个光子,继续向前传播,2变4, 进而4变8,实现自发辐射的雪崩式放大,如下图:

激光器的工作原理

激光器中的光学谐振腔,将初次的出射光经激光输出镜再反射回去,又进行一次放大,完成一次正反馈。

正反馈过程在来回反射过程中,初始很小的光,就会被放大到一个很高级别的光(指光子数从1被放大到很大很大),使得这个粒子数反转的体系里面的能量全部向这个方向集中,最后在输出反射镜这个地方,总有一点分量溢出耦合出来,即输出激光。在这个放大过程中,在其他方向上同时也产生了少量损耗,但总体上,因谐振腔的放大作用,使增益大于损耗。

光学谐振腔的附加作用使激光频率更加集中。

对于固定的共振系统,只能响应一个频率,或其谐波(像吉他两点之间的弦,改变两点距离,发出不同频率的声音)。谐振腔中两个镜子是固定的结点,光就像弦。只有当光的波长是光程的半整数倍时,光来回的一个反射才是增强的,否则,会相干消掉。这个使得我们频率也非常集中,所以输出的激光光方向一致,波长集中。

激光的单色性特别高,空间相干性特别强,单色亮度非常高。激光几乎都是平行的,向着一个方向。由于激光的各种优良特性,激光器被发明后,在各个领域得到了广泛的应用。

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