激光 — 装置和工作原理

光通过介质时的正常行为

通常，当光通过介质时，其强度会降低。这个衰减的数值可以从布格定律找到：

在这个方程中，除了进入和离开介质的光强 I 之外，还有一个因素称为介质的线性光吸收系数。在传统光学中，该系数始终为正。

负光吸收

如果由于某种原因吸收系数为负怎么办？然后怎样呢？光通过介质时会被放大；事实上，介质会显示负吸收。

观察这样一幅画面的条件是可以人为创造的。苏联物理学家 Valentin Alexandrovich Fabrikant 于 1939 年提出了关于实现所提出现象的方法的理论概念。

在分析假设的光放大介质穿过它的过程中，法布里康特提出了光放大原理。而在 1955 年苏联物理学家 Nikolai Genadievich Basov 和 Alexander Mikhailovich Prokhorov 将 Fabrikant 的这一想法应用于电磁频谱的射频区域。

考虑负面吸收可能性的物理方面。在理想化的形式中，原子的能级可以用线来表示——就好像每个状态下的原子只有严格定义的能量 E1 和 E2 一样。这意味着当从一种状态转变到另一种状态时，原子要么发射要么吸收精确定义波长的单色光。

但现实远非理想，事实上原子的能级有一定的有限宽度，也就是说，它们不是精确值的线。因此，在能级之间的跃迁过程中，也会有一定范围的发射或吸收频率dv，这取决于发生跃迁的能级宽度。 E1和E2的值只能用来表示原子的中间能级。

因此，由于我们假设 E1 和 E2 是能级的中点，我们可以考虑处于这两种状态的原子。让E2>E1。当原子在这些能级之间通过时，它可以吸收或发射电磁辐射。假设处于基态 E1 的原子吸收能量为 E2-E1 的外部辐射并进入激发态 E2（这种跃迁的概率与爱因斯坦系数 B12 成正比）。

处于激发态 E2 的原子在能量为 E2-E1 的外辐射作用下发射出能量为 E2-E1 的量子，并被迫跃迁到能量为 E1 的基态（这种跃迁的概率与爱因斯坦系数 B21)。

如果一束体积光谱密度为 w(v) 的平行单色辐射光束穿过单位横截面积和厚度为 dx 的物质，则其强度将发生以下值的变化：

这里n1是E1态原子的浓度，n2是E2态原子的浓度。

代入方程右边的条件，假设B21 = B12，再将B21的表达式代入，可得窄能级光强变化方程：

实际上，如上所述，能级不是无限窄的，因此必须考虑它们的宽度。为了不让文章因变换描述和一堆公式而变得混乱，我们只需注意，通过输入一个频率范围，然后对 x 进行积分，我们最终将得到一个用于计算平均值的实际吸收系数的公式：

由于显然在热力学平衡条件下，低能态E1的原子浓度n1总是大于高能态E2的原子浓度n2，所以正常情况下不可能有负吸收，不可能放大光通过一个真实的环境而不采取任何额外的措施......

为了使负吸收成为可能，需要创造条件使介质中激发态E2的原子浓度大于基态E1的原子浓度，即需要组织介质中原子根据其能量状态的反向分布。

对环境能量抽取的需求

为了组织能级的反转群体（以获得活性介质）泵浦（例如光或电）被使用。光泵浦涉及原子吸收指向它们的辐射，因此这些原子进入激发态。

气体介质中的电泵浦涉及通过与气体放电中的电子的非弹性碰撞来激发原子。根据 Fabrikant 的说法，原子的一些低能态必须通过分子杂质来消除。

在两能级介质中使用光泵浦几乎不可能获得活性介质，因为在这种情况下，每单位时间从状态 E1 到状态 E2 的原子从数量上跃迁到状态 E2，反之亦然（！）将是等效的，这意味着有必要至少采用三层系统。

考虑一个三级泵送系统。让具有光子能量E3-E1的外部辐射作用于介质，同时介质中的原子从能量E1的状态转变为能量E3的状态。从 E3 能量状态，自发跃迁到 E2 状态和 E1 状态是可能的。为获得反转布居数（当给定介质中具有更多 E2 能级的原子时），有必要使 E2 能级比 E3 寿命更长。为此，遵守以下条件很重要：

符合这些条件将意味着处于 E2 态的原子保持更长时间，即从 E3 到 E1 和从 E3 到 E2 自发跃迁的概率超过从 E2 到 E1 自发跃迁的概率。那么E2级就会变得更持久，E2级的这种状态可以称为亚稳态。因此，当频率为 v = (E3 - E1) / h 的光通过这种活性介质时，该光将被放大。同理，可采用四能级系统，则E3能级为亚稳态。

激光装置

因此，激光器包括三个主要组件：活性介质（在其中产生原子能级的粒子数反转）、泵浦系统（用于获得粒子数反转的装置）和光学谐振器（放大辐射多次并形成输出的定向光束）。活性介质可以是固体、液体、气体或等离子体。

连续或脉冲地进行泵送。在连续泵送的情况下，介质的供应受到介质过热和这种过热后果的限制。在脉冲泵送中，由于每个脉冲的功率都很大，因此可以更多地获得零碎地引入介质中的有用能量。

不同的激光器——不同的泵浦

固态激光器通过用强大的气体放电闪光、聚焦太阳光或其他激光照射工作介质来泵浦。这始终是脉冲泵浦，因为功率如此之高以至于工作棒在连续作用下会坍塌。

液体和气体激光器通过放电进行泵浦。化学激光器假设在其活性介质中发生化学反应，结果是从反应产物或具有适当能级结构的特殊杂质中获得反转的原子数量。

半导体激光器由通过 pn 结的正向电流或电子束泵浦。此外，还有光解离或气体动力法（加热气体的突然冷却）等泵送方法。

光谐振腔——激光器的心脏

光学谐振器是一对镜子的系统，在最简单的情况下，两个镜子（凹面或平行）彼此相对固定，并且在它们之间沿公共光轴存在晶体或晶体形式的活性介质带气体的比色杯。以一定角度穿过介质的光子将其留在侧面，沿轴移动的光子被多次反射，被放大并通过半透明镜射出。

这会产生激光辐射——一束相干光子——一种严格定向的光束。在镜子之间的一次光通过期间，增益的大小必须超过某个阈值 - 通过第二个镜子的辐射损失量（镜子传输越好，这个阈值必须越高）。

为了有效地进行光放大，不仅需要增加光在活性介质内的路径，而且要保证离开谐振器的波彼此同相，那么干涉波将给出最大可能的振幅。

为了实现这个目标，谐振器中的每个波都必须返回到源镜上的一个点，并且通常在有源介质中的任何点，在任意次数的完美反射后与主波同相.当波在两个返回之间传播的光路满足以下条件时，这是可能的：

其中 m 是一个整数，在这种情况下，相位差将是 2P 的倍数：

现在，由于每个波与前一个波的相位相差 2pi，这意味着所有离开谐振器的波都将彼此同相，从而产生最大幅度的干扰。谐振器在输出端将具有几乎单色的平行辐射。

谐振腔内反射镜的工作将放大对应于谐振腔内驻波的模式；其他模式（由于实际条件的特殊性而产生）将被削弱。

红宝石激光器——第一台固态激光器

第一个固态装置于 1960 年由美国物理学家 Theodore Maiman 制造。这是一种红宝石激光器（红宝石 - Al2O3，其中一些晶格位置 - 在 0.5% 以内 - 被三重电离铬取代；铬越多，红宝石晶体的颜色越深）。

1960 年 Ted Mayman 博士设计的第一台成功工作的激光器。

由最均匀的晶体制成的红宝石圆柱体，直径为 4 至 20 毫米，长度为 30 至 200 毫米，被放置在两个镜子之间，镜子以银层的形式应用于这个精心抛光的末端圆柱。螺旋形气体放电灯沿整个长度围绕圆柱体，并通过电容器提供高压。

当灯打开时，红宝石受到强烈照射，同时铬原子从 1 级移动到 3 级（它们处于这种激发态的时间不到 10-7 秒），这是最有可能跃迁到的地方达到 2 级——达到亚稳态水平。多余的能量被转移到红宝石晶格中。从 3 级到 1 级的自发过渡是微不足道的。

选择规则禁止从级别 2 到级别 1 的过渡，因此该级别的持续时间约为 10-3 秒，比级别 3 长 10,000 倍，因此原子在级别 2 的红宝石中积累 -这是2级的反向人口。

在自发跃迁期间自发产生，光子会导致从 2 级到 1 级的强制跃迁，并引发二次光子的雪崩，但这些自发跃迁是随机的，它们的光子传播混乱，大部分通过其侧壁离开谐振器。

但是那些撞击轴的光子经历了镜子的多次反射，同时导致二次光子的强制发射，这再次引发了受激发射，等等。这些光子将沿与主要光子相似的方向移动，并且沿晶体轴的通量将像雪崩一样增加。

倍增的光子流将以具有巨大强度的严格定向光束的形式通过谐振器的侧面半透明镜射出。红宝石激光器的工作波长为 694.3 nm，而脉冲功率可达 109 W

带氦气的氖激光器

氦氖（氦/氖 = 10/1）激光器是最流行的气体激光器之一。气体混合物中的压力约为 100 Pa。氖作为活性气体，以连续模式产生波长为 632.8 nm 的光子。氦气的功能是从氖气的较高能级之一产生反向布居。这种激光的光谱宽度约为5 * 10-3 Hz 相干长度6 * 1011 m，相干时间2 * 103°C。

当泵浦氦氖激光器时，高压放电会导致氦原子跃迁到 E2 能级的亚稳激发态。这些氦原子与处于 E1 基态的氖原子发生非弹性碰撞，从而转移它们的能量。氖的 E4 能级的能量比氦的 E2 能级高 0.05 eV。能量的缺乏由原子碰撞的动能来补偿。结果，在氖的 E4 能级，获得了相对于 E3 能级的反转布居数。

现代激光器的类型

根据活性介质的状态，激光器分为：固体、液体、气体、半导体，也有晶体。按泵送方式分为：光学式、化学式、气体式。按产生的性质，激光分为：连续的和脉冲的。这些类型的激光器发出电磁波谱可见范围内的辐射。

光学激光器比其他激光器出现得晚。它们能够产生近红外范围内的辐射，这种辐射（波长可达 8 微米）非常适合光通信。光学激光器在纤芯中包含一根光纤，其中引入了几种合适的稀土元素离子。

与其他类型的激光器一样，光导安装在一对镜子之间。泵浦时，将具有所需波长的激光辐射送入光纤，使稀土元素的离子在其作用下进入激发态。回到较低的能量状态，这些离子发射的光子波长比初始激光的波长更长。

以这种方式，光纤充当激光光源。其频率取决于添加的稀土元素的类型。光纤本身由重金属氟化物制成，可有效产生红外范围频率的激光辐射。

X 射线激光占据光谱的另一侧——介于紫外线和伽马之间——波长为 10-7 至 10-12 米的数量级。这种类型的激光在所有类型的激光中具有最高的脉冲亮度。

第一台 X 射线激光器于 1985 年在美国利弗莫尔实验室建成。劳伦斯。硒离子产生的激光，波长范围为18.2～26.3nm，最高亮度落在20.63nm波长线上。今天，已经用铝离子实现了波长为 4.6 nm 的激光辐射。

X 射线激光由持续时间为 100 ps 至 10 ns 的脉冲产生，这取决于等离子体形成的寿命。

事实上，X 射线激光的活性介质是高度电离的等离子体，例如，当用可见或红外光谱中的高功率激光照射钇和硒薄膜时，就会获得这种等离子体。

X 射线激光的脉冲能量达到 10 mJ，而光束的发散角约为 10 毫弧度。泵浦功率与直接辐射之比约为0.00001。