激光产生原理

激光产生原理了解激光产生原理，我们必先了解物质的结构，与激光的辐射和吸收的原理。图一碳原子示意图物质由原子组成。图一是一个碳原子的示意图。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是，电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的「能阶」，不同的能阶对应于不同的电子能量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这些能阶想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道(也是最近原子核的轨道)最多只可容纳2个电子，较高的轨道则可容纳8个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的[1]，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。电子可以透过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶。例如当电子吸收了一个光子[2]时，它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能阶(图二a)。同样地，一个位于高能阶的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能阶(图二b)。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能阶的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。图二原子内电子的跃迁过程当原子内所有电子处于可能的最低能阶时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时，我们称原子处于受激态。前面说过，电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种形式﹕1.自发吸收-电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶(图二a)。2.自发辐射-电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶(图二b)。3.受激辐射-光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子(图二c)。图三红宝石激光的示意图激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。图三显示红宝石激光的原理。它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原子。在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能阶。而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过﹔而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。图四粒子数反转的状态产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光为例(图四)，原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，大约�秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留在亚稳态的时间很长，大约是�秒或更长的时间。电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。图五普通灯光与激光的比较激光透过受激辐射产生，有以下三大特性(图五)﹕1.�激光是单色的，在整个产生的机制中，只会产生一种波长的光。这与普通的光不同，例如阳光和灯光都是由多种波长的光合成的，接近白光。2.�激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它们迭加起来便产生很大的强度。而在日常生活中所见的光，它们的相和偏振是随机的，相对于激光，这些光就弱得多了。3.�激光的光束很狭窄，并且十分集中，所以有很强的威力。相反，灯光分散向各个方向转播，所以强度很低。以能量划分，激光可大致可分为三类，第一类是低能量激光，这类激光通常以气体为激光介质，例如在超级市场中常用的条形码扫描仪，就是用氦气和氖气作为激光介质的；第二类是中能量激光，例如在课堂上用的激光指示器；最后一类为高能量激光，一般用半导体作为激光介质，输出的功率可高达500mW。用于热核聚变实验的激光可发射出时间极短但能量极高的激光脉冲，其脉冲功率竟可达10^14W！这激光可产生达一亿度的高温，引发微粒状的氘-氚燃料进行热核聚变。[1]根据量子力学，电子不是在一些明确的轨道上绕原子核运动的，它们的位置只可利用或然率通过薜定谔方程预测。[2]量子力学说明光也有粒子的性质，特别是在光与原子作用的时候。光的粒子称为光子。