激光的产生原理介绍

    处于粒子数反转分布状态的工作物质是如何产生激光的呢？激光谐振腔又起什么作用呢？下面就来回答这些问题。
    如前所述，处于激发态的原子不能长时间停留在高能级。即使没有外界作用，也会自发地由高能级向低能级跃迁，并辐射一个光子。因为原子的这种自发辐射是完全独立的，所以，不同原子发射光子的方向全然不同。刹那间，工作物质中出现沿四面八方传播的光子，如图所示。 


    假定工作物质具有圆柱形状，这些自发辐射光子必有一部分沿其中心轴的方向传播，多数则与中心轴有一定夹角。后一类“离心离德”的光子很快从工作物质的侧面逃逸出去，对激光的产生没有多大影响；前一类“同心同德”的光子在沿工作物质中心轴方向运动时，将引起路径上处于高能级原子的受激辐射，产生与其具有相同频率、相同位相，并沿相同方向传播的光子。该光子与诱发它的光子“齐心协力，并肩战斗”，激励其他原子辐射与它们相同的光子。如此下去，使光子数由1到2，由2到4，……以神奇的速度按指数规律增长。更为神奇的是，由于所有这些光子都是逐次受激辐射产生的，这使它们全部具有相同频率、相同初位相、相同偏振态，并沿相同方向传播，如图1-2（b）所示。
    理论上讲，只要工作物质足够长，则不管初始自发辐射有多弱，最终总可以被放大到一定强度。但在实际激光器中，一般来说，工作物质既没有必要，也没有可能特别长（最近发展起来的以光纤为工作物质的激光器是一个例外），通常的做法是在其两端各放一块反射镜，使光得以来回反射多次通过工作物质并被不断放大，如图1-2（c）所示。为充分利用光能，介质往往被置于一聚光腔体中，后者与端面反射镜共同构成激光谐振腔，如图1-2（d）所示。
    由以上的讨论可以看出，激光作为一种光，与自然界其他发光一样，是由原子（或分子、离子等）跃迁产生的，而且是由自发辐射引起的。不同的是，普通光源自始至终都是由自发辐射产生的，因而含有不同频率（或不同波长、不同颜色）的成分，并向各个方向传播。激光则仅在最初极短的时间内依赖于自发辐射，此后的过程完全由受激辐射决定。正是这一原因，使激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性，极高的发光强度。而正是这些神奇的特性，使激光在各个领域具有一系列令人难以置信而又不得不相信的应用。