激光器的工作原理
发布时间：
2022-03-29 14:06
来源：
个人图书馆
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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