神通激光

第四节 纪律严明的“摇篮”

　　激光的产生——光的受激发射和放大都是在它的“摇篮”里实现的，这“摇篮”的名字叫做激光器。

　　激光器是个什么物件？它是怎样产生受激辐射和光放大的呢？

　　激光器基本上是由3个部分组成的：第一部分是用于产生受激辐射的工作物质，也就是能够形成粒子数反转分布的物质，叫做激活物质或激光物质，它可以是固体、液体或气体；第二部分是能源激励装置，它给工作物质以“刺激”的作用，如前所述，这种作用称为“泵浦”，即通过一定的方式向工作物质输入能量，激励工作物质达到粒子数反转状态；第三部分是光学谐振腔，它是由两块光学反射镜按一定方式组合而成的，工作物质就放置在两块反射镜之间。谐振腔的作用，是使工作物质发出的受激辐射光能够在两块反射镜之间多次往返，从而在腔内形成持续振荡，不断激励工作物质而引起光放大。

　　在光泵浦作用下谐振腔内形成激光的情况。上面讲到，一个具有3个能级的系统形成“粒子数反转”的必要条件是原子的能级必须具有亚稳态能级，要采用足够强的泵浦光。这是激光器的工作物质——激活物质（或激活媒质）所具备的基本特性。用频率f31=（E3——E1）/h的泵浦光去照射激活物质，当光子和原子作用时，使处于正常分布状态的原子体系吸收了光子能量hf31=E3——E1，处于低能级E1的原子便被激发到了高能级E3上去。但是，处于能级E3上的原子的自发辐射能力强，原子被激发到E3能级后总是力图自发跃迁到低能级上去，因此在高能级E3上停留的时间很短，或者说，在E3能级上寿命很短，很快就跃迁到原子寿命较长的亚稳态能级E2上。这样，在亚稳态能级E2与低能级E1之间形成了“粒子数反转”。然而，原子处于亚稳态能级E2上，相对于低能级或基态能级来说也是不稳定的，可以自发跃迁到低能级E1而辐射出光子，光子的频率为f21=（E2——E1）/h。这些光子沿着任意方向辐射，其中不沿谐振腔轴线方向运动的光子，很快通过谐振腔的侧面射出腔外，因而不再与腔内的原子发生作用。只有那些沿着轴线方向运动的光子hf21，可以在谐振腔内继续前进。这些光子如果在半路上碰到一些处于亚稳态能级E2上的原子，就会使它们发生受激辐射，产生出一些完全相同的新光子。于是，光子队伍便由两个部分组成：一些是沿着轴线方向运动的自发辐射光子，另一些是它们从处于亚稳态能级上的原子中激发出来的新光子。这两部分光子合为一股，这支光子队伍步调一致地继续沿着轴线方向向前运动，又可能碰到其他的亚稳态原子，激发它们产生受激辐射，从而光子数目进一步增加。这样一来，受激辐射沿着轴线方向越来越强，不断产生受激辐射而形成一股放大的光子流。

　　在谐振腔的两端，有两反射镜。这两个反射镜的反射面可以是平面，也可以是球面。其中，一个反射镜具有100%的反射率，也就是说，光碰到它会完全反射；另一个反射镜能够允许一部分光透射，而大部分光反射。这是根据不同需要来设计和制造的。

　　不断产生受激辐射而形成放大的光子流，射到谐振腔一端的部分反射镜上，被反射回谐振腔中，又继续沿着轴线方向向着全反射镜运动。在前进过程中，继续使亚稳态原子受到激发而产生受激辐射，因而不断有新的光子加入光子流的队伍。连锁反应持续下去，激发出许许多多的光子，遇到全反射镜又折回来朝向部分反射镜运动。光子流就这样在谐振腔内的两个反射镜之间来回反射，并不断激发出新的光子来使光子队伍扩大和加强。从这个过程可以看出，谐振腔的作用是使光通过工作物质所增加的光子数大于由于各种因素所造成的损失的光子数，使光在谐振腔内不断地来回反射并不断得到放大，即形成“光振荡”。这样被足够放大的激光，可以从部分反射镜镜面射出，于是便放射出一束笔直的强光束——激光。

　　这就是激光形成的原理。

　　从上面对激光形成原理的分析中，可以清楚地理解激光的许多特点是怎样形成的。首先，激光器发射出来的激光的频率主要取决于高低能级的能量差，即f21=（E2——E1）/h，而这一数值是由微观粒子本身性质决定的，因而激光的单色性好。其次，激光是受激辐射形成的，所有的光子都是由同样光子激发出来的，频率、传播方向、振动方向和振动相位都完全一致，因而激光的相干性好。再者，由于谐振腔的巧妙作用，只允许沿轴线方向的光得到放大并发射出来，因而激光束具有高度的方向性；而且，光束的发散角很小，发射出来的光能量集中，具有极高的亮度。