激光是如何产生的

严浩

中国科学院力学研究所

关键词：激光

        激光是20世纪的重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”^[1]。激光的英文名称Laser（Light amplification by stimulated emission of radiation）为首字母缩略词，意为受激辐射光放大，描述了激光产生的原理。下面，让我们来看看激光是如何产生的。

激光的理论基础

        受激辐射的理论是激光产生的基础，这个理论在1917年由爱因斯坦提出。图一中展示了激光增益介质中的两个能级S₁和S₂，分别对应了激光跃迁的下能态和上能态。他们之间的能量差E₂–E₁等于hν（普朗克常数与光波频率的乘积）。当系统处于能级S₁时并受到能量为hν的光子照射时，有一定的概率吸收光子并跃迁至能级S₂，这个过程叫做受激吸收（stimulated absorption）。当系统处于能级S₂时，有一定的概率跃迁至能级S₁并释放荧光光子hν，该过程被称为自发辐射 (spontaneous emission)。如果该系统正处于能级S₂，并且受到hν的照射，该系统有一定概率释放出一个与入射光子频率、相位¹、传播方向均相同的光子，这个过程被称为受激辐射 (stimulated emission)。

图一：二能级系统与光子作用的示意图

        如果将这样含有大量处于S₂能级分子的增益介质置于两个相向的平行反射镜之间（见图二），部分垂直于镜面的荧光光子可以通过受激辐射放大，形成自激振荡，从而发出激光。这个谐振腔左端的光学元件称为输出耦合器（output coupler），相当于具有一定透射率的反射面，是谐振腔内激光的出口。

图二：激光谐振腔工作示意图

激光产生的关键

        尽管激光的基础理论早已发表，直到1960年人们才制造出世界上第一台激光。这是因为缺乏有效方式将能量注入到受激辐射相关的能级系统中。在一般情况下，受激辐射非常微弱，甚至难以观测，更不要说用它来产生激光了。当物质处于热平衡状态时，分子在能级上的分布遵从玻尔兹曼分布，下能态S₁上的粒子数N₁远远大于上能态S₂的粒子数N₂，对hν光子的吸收远大于受激辐射，无法在宏观上实现光信号的放大。

        激光产生的关键就在于实现粒子数反转，使N₂>N₁。目前的激光器工作时，需要采用适当的激励（泵浦）方式实现特定能级的粒子数反转。泵浦方式有用于Nd:YAG（钕钇铝石榴石）激光、Ti:Saphhire（钛宝石）激光以及染料激光等等的光泵浦，HeNe（氦氖）激光、准分子激光的放电泵浦等等。

        这里以染料激光为例，介绍如何实现粒子数反转。染料激光的增益介质为有机染料溶液，常用的染料有蓝、紫光波段的香豆素（Coumarin），红、黄光波段的罗丹明（Rhodamine）等。如图三所示，有机染料的激光跃迁主要发生在S₀和S₁单重态的能带。这两个能带由许多转动和振动能级组成，在溶液中由于碰撞加宽，这两条能带可以看作是连续的。在激光产生过程中，染料分子受到泵浦光的照射从S₀带的底层能级跃迁至S₁带，然后迅速通过无辐射跃迁至S₁的最底层能级，也就是激光跃迁的上能态。在激光跃迁中，分子跃迁至S₀能带中的指定能级，并释放光子，随后迅速跃迁至S₀能带的底层能级。因为激光跃迁的上能态S₂具有较长的寿命，而S₁的寿命十分短暂，又在泵浦光的作用下，大量分子被激发至上能态S₂，粒子数反转就得以实现。在激光发生的同时，染料分子在S₁带发生系间窜越（Intersystem Crossing）进入T₁寿命较长的三重态系统脱离激光跃迁循环，影响激光效率。因此染料激光工作时，需要循环利用染料溶液。图四为工作中的染料激光器，可以看到循环系统的管路。

图三：染料激光器能级示意图

 

图四：工作中的染料激光器

激光的波长

        很多激光器具有很好的单色性，即输出光的光谱带宽狭窄。激光的输出光谱是否狭窄，与以下几个因素有关。首先，激光增益介质与泵浦方式的决定了哪个波段的光子可以被放大。像气体激光器、准分子激光器、Nd:YAG激光器这样能级稀疏且能量分布狭窄的增益介质，产生的激光自然具有很窄的线宽。

        另一方面，激光的单色性可以通过谐振腔调节。激光染料、Ti:Saphhire宝石具有能量较宽的能级，具有数十纳米的工作波长范围，如果需要产生单色性好的激光，需要设定谐振腔对不同光谱成分的衰减，达到对特定光谱成分的放大。在图五中绘制了染料激光器谐振腔的示意图。染料溶液装入透明的染料池中，置于激光光路中。泵浦光从垂直于谐振腔光路方向照射染料池实现泵浦。激光波长的调谐是通过谐振腔中的色散光路完成的。染料激光的谐振腔中放置了3000 g/mm的光栅，谐振腔中的光入射到光栅后根据波长沿不同角度出射。因此只有特定的波长的光（带宽约2 pm）线是垂直于 在可以在谐振腔中起振发出激光。通过转动光栅可以选定激光波长。

 

图五：染料激光器谐振腔示意图

        通过输入种子光的方式，也可以对谐振腔的输出波长进行调节。通常，种子光的光谱带宽小于谐振腔工作波长的带宽。谐振腔的出光过程中，不同频率成分的光存在竞争关系。在激光产生初期，种子光能量远大于其他波长的能量，因此种子光吸收了增益介质中的大部分能量，并且抑制了非种子光成分的放大。使用单色性高的种子光可以减少谐振腔输出激光的带宽。

¹怎样理解相位这个概念呢？打个通俗的比方，在队列训练中，为了达到整齐的效果，不仅要求每一个成员的行进速度、方向、迈步频率一致，踢腿摆臂也要实现同步。这种同步即相位相同。

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参考文献：

[1] 百度百科 激光

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