第二节 激光的形成

一、激光器的基本结构

　　一般激光器都具有三个基本的组成部分：工作物质、光学谐振腔、激励能源（如图17－6所示）。



图17－6

　　1．激光工作物质。指用来实现粒子数反转分布并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激活介质或激光增益介质。它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等介质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转分布。并使这种反转在整个激光辐射作用过程中尽可能有效地保持下去。为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。目前可作为激光工作物质的已开发了数百种以上。

　　2．光学谐振腔。通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定方式组合而成的。通常选择一个镜面为全反射，而另一个光学镜面为部分反射，部分透射作为激光振荡能量的输出端。光学谐振腔作用为：①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡；②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。

　　光学谐振腔的调整精度很高，需用平行光管调整。谐振腔调整得不好，光能损耗大，影响激光质量,甚至不出光。

　　3．激励能源。激励能源（又称泵浦源）的作用是将处于低能级上的粒子抽运到高能级上去，使工作物质实现炷子数反转分布。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置。常见的方式有：光激励（又称光泵）、高压气体放电激励、热激励、化学激励、电子束激励等。

二、激光的形成

　　1．炷子数反转分布。如前所述，要使光通过介质时产生增益，使受激辐射超过受激吸收，即要实现粒子数反转分布。需满足（17－24）式：

　　N₂/g₂＞N₁/g₁

　　因此，实现粒子数反转是介质产生光放大的前提。一般来说，当物质处于热平衡状态时，粒子数反转是不可能的，只有当外界向物质供给能量（称为激励或泵浦过程），从而使物质处于非热平衡状态时，粒子数反转才可能实现。所以，激励（或泵浦）过程是光放大的必要条件。

　　各种物质并非都能实现粒子数反转，在能实现粒子数反转的物质中，也不是任意两个能级间都能实现粒子数反转的。要实现粒子数反转，必须具备一定的条件，即与物质粒子的能级结构有关。



图17－7

　　①三能级系统。原子（或分子）能级很多，如果与形成粒子数反转有关的能级只有三个，则称为三能级系统。

　　如图17－7所示，为红宝石工作物质的三能级系统，E₁为基态，E₃为激发态，其能级寿命很短，约为5×10^-8s；而E₂能级寿命较长，约为3ms，这个能级称为亚稳态。

　　当粒子受外界能量激励从E₁到E₃，由于E₃能级寿命短，很快转移到E₂上，因能级E₂为亚稳态，在E₂、E₁间实现粒子数反转分布。由于下能级E₁为基态，通常总是积聚着大量的粒子，因此要实现粒子数反转，必须将半数以上的基态粒子激发到E₂上，所以，外界激励就需要有相当强的能力。

　　②四能级系统，如图17－8所示，为四能级系统，能级E₁为基态，E₂、E₃、E₄为激发态。在外界激励的条件下，基态E₁上的粒子大量被激发到E₄上，又迅速转移到E₃上，E₃能级为亚稳态，寿命较长。而E₂能级寿命很短，E₂上的粒子又很快跃迁到基态E₁，所以，四能级系统中，粒子数反转是在E₃与E₂间实现。也就是说，能实现粒子数反转的激光下能级是E₂，不像三能级系统那样，为基态E₁。因为E₂不是基态，所以在室温下，E₂能级上的粒子数非常少。因而粒子数反转在四能级系统比三能级系统容易实现。常见激光器中，掺钕钇铝石榴石（简Nd³⁺:YAG）激光器、氦氖激光器和二氧化碳激光器都属四能级系统激光器。需要指明，以上讨论的三能级系统和四能级系统都是对激光器运转过程中直接有关的能级而言，不是说某种物质只具有三个能级或四个能级。



图17－8

　　2．光振荡的阈值条件。有了稳定的光学谐振腔，有了能实现粒子数反转的工作物质，还不一定能引起受激辐射的光振荡而产生激光。因为工作物质在谐振腔内虽然能够产生光的增益，但同时在谐振腔内还存在许多引起损耗的因素。如镜面的吸收、透射和衍射，工作物质的不均匀性所造成的折射和散射等。如果由于种种损耗的结果，使得工作物质的增益作用抵偿不了这些损耗，也就不可能得到激光输出。这就是说，要产生激光振荡，对于光的放大来讲，必须满足一定的条件，这个条件叫做阈值条件。

　　下面从分析光在光学谐振腔两镜面间往返一次的增益和损耗，来推导光振荡的阈值条件。

　　令激活介质的增益系数为G(v)，激活介质在沿着谐振腔的轴方向上的长度为L，腔的两个反射镜的反射率分别为r₁和r₂。



图17－9

　　如图17－9所示，令光从反射镜1垂直反射后的光强为I₀，通过长度为L激活介质垂直入射到镜面2上的光强为I₁，考虑到由工作物质的本身引起的光损耗（内损耗），用a_内表示损耗系数。由（17－28）式则有：

　　I₁=I₀e^{[G(v)-a_内]L}　　　　　　(17-42)

　　显然I₁＞I₀

　　如令光在镜面2上垂直反射后的光强为I₂

　　则I₂＝r₂I₁=r₂I₀e^{2[G(v)-a_内]L}　　　　　　(17-43)

　　令光强为I₂的光通过激活介质垂直入射到镜面1上的光强为I₃，则

　　I₃=I₂e^{[G(v)-a_内]L}=r₂I₀e^{2[G(v)-a_内]L}　　(17-44)

　　如光在镜面1上垂直反射后的光强为I₄，则

　　I₄=r₁I₃=r₁r₂I₀e^{2[G(v)-a_内]L}　　(17-45)

　　可见，要使光在腔的两个镜面间往返一次传播时，不至于减弱的条件是：

　　I₄≥I₀

　　由此可导出阈值条件：

　　r₁r₂I₀e^{2[G(v)-a_内]L}≥I₀　　　　　　(17-46)

　　r₁r₂e^{2[G(v)-a_内]L}≥1　　　　(17-47)

　　由 Ln(r₁r₂)+2L[G(v)-a_内]≥0　　　　　　(17-48)

　　G(v)≥a_内-1/2LLn(r₁r₂)　　　　　　　　(17-49)

　　令总损耗系数：

　　a=a_内-1/2LLn(r₁r₂)　　　　　　　　　　(17-50)

　　根据（17－49）式阈值条件可写为：

　　G(v)≥a　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(17-51)

　　由此可见，只有满足阈值条件，才能形成激光。如果只满足粒子数反转分布条件，而不满足阈值条件，还是不能形成激光。

[时间：2001-12-11  作者：许鑫　杨皋  来源：《印刷应用光学》·第十七章 激光概述]