激光的基本原理 激光器 激光的特性及其应用
一、激光的基本原理
激光是 “受激辐射光的放大” 的简称，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为LASER
1、光与物质的相互作用
自发辐射过程 受激吸收过程 受激辐射过程
当光和原子相互作用时，必然同时存在着 自发辐射、受激吸收和受激辐射三种过程， 表征三种过程的三个系数A21 、 B12 和B21之间 存在联系，可以证明
B12=B21=B
A21 B21

8hυ3
C3
2、粒子数反转分布
Ni CeEi / kT N1 E1 N2 E2
N1 / N2 e(E1E2 )/ kT
W21

dN 21 N 2dt
W12是单位时间内，在单色辐射能量密度ρ (v) 的入射光作用下，由于受激辐射跃迁到能级E1的 原子数密度在E2能级总原子数密度中所占比例， 也就是在E2能级上每个原子在单位时间内发生受 激辐射的概率，所以 W12 称为受激辐射概率
（i）受激辐射跃迁概率W12与自发辐射跃迁概率A21 的关系。
自发辐射概率 A21 对每一个能级系统是一常数，而 对于受激吸收，只有受激吸收系数 B21 对每一个 能级系统为常数，而受激吸收跃迁概率W12与入射 光强有关，不是常数
（3） 受激辐射
恰出好与原满外子足 来中光h处子于一E高样2 能特E级征1 )E的的2光诱的子发电,下子这向,会叫低在受能外激级来辐光E射1子跃. (迁其,频并率发
有些物质具有亚稳态，它不如基态稳 定，但比较激发态要稳定得多，如红宝 石中络离子、氦原子、氩原子、二氧化 碳等粒子中都存在亚稳态，具有亚稳态 的工作物质，就能实现粒子数反转。
三能级系统和四能级系统的工作物质
。激发态
E3
. 亚稳态
E2
. E1
。 基态
红宝石中铬离子能级示意图
当红宝石受到强光照射 时，铬离子被激励，使 处于基态的大量铬离子 吸收光能而跃迁到激发 态 E3上，被激发的铬离 子在E3能级上的平均寿 命很短，约为 5108 s ， 所以很快转移到 E2能级 上， 此能级寿命较长 （10-3秒），因而不立 即以自发辐射的方式返 回基态
（2） 受激吸收
原子吸收外来光子能量 h , 并从低能级 E1 跃迁 到高能级 E2 , 且 E2 E1 h , 这个过程称为光吸收.
E2
h
. E1
. E2
E1 。
吸收前
吸收后
设频率为 的外来光子的单色辐射能量为() ，低
能级E1上的原子数密度为N1，则单位时间内由于
吸收外来光子从E1跃迁到高能级E2上的原子数密
N 2 N 20 e A21t
N20为t=0时的N2值
t 1
A21
E2能级上的原子数减少到原来的1/e， 称
为原子在E2上的平均寿命，或简称为能级 的寿命
如果在能级En以下存在着不止一个较低的能级， 则能级平均寿命的更一般的表达式为
1
Ank
kn
各个原子的各个能级的平均寿命与原子 结构有关。一般来说，原子激发态的平均寿 命的数量级为10-8秒，有一种特殊的激发态， 原子在此激发态上的寿命特别长，可以达到 10-4~1秒——亚稳态
（1） 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发
态的高能级E2 自动跃迁到低能级 E1, 这种跃迁称为自
发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.
E2 E1
h
E2 .
E1
发光前
。
E2
h
E1 .
发光后
自发辐射过程的概率只与初态E2上的原子数
密度N2有关，单位时间内，因自发辐射跃迁
3、光学谐振腔与阈值条件
激活介质本身不是一台激光器，在激活介质内部 受激辐射与自发辐射是同时存在的，且后者占主 导地位。即使在工作物质处于粒子数反转分布情 况下，所获得光的强度是很弱的，没有实用价值。
粒子数的正常分布
粒子数反转分布
产生激光最起码的条件造成粒子数反转分布 要实现粒子数反转，必须具备一定条件：
一是要具备必要的能源（如光源、电源等）， 把低能级上原子尽可能多的激发到高能级上 去，这个过程叫做“激励”、“激发”或者 叫“抽运”、“泵浦”；
二是必须选取能实现粒子数反转的工作物质， 这种物质具有合适的能级结构，即具有亚稳 态，这种物质称为激活介质。
而产生的光子数的密度为
A N dN21 dt
21 2
A21 自发辐射系数，物理意义：单位时间 内发生自发辐射的原子数密度在处于高能级
的原子数密度中所占有的比例，或者说是每
一个处于高能级的原子在单位时间内发生自 发辐射的概率。
dN 2 dN 21 A21N2d t
dN 2 N2
A21d t
度Байду номын сангаас
dN12 dt

B12 ()N1
W12 B12 ()
B12为受激吸收系数，如果令
W12

dN12 N1dt
W12 称为受激吸收的跃迁概率
W12 是在单色辐射能量密度为() 的光作用下， 在单位时间内产生受激吸收的原子数在E1能 级的原子数密度中所占的比例，也就是处在 E1能级的每一个原子在单位时间内发生受激 吸收的概率，W12称为受激吸收的跃迁概率。
已知 E2 E1
N1 N2 表明 , 处于低能级的电子数大于高能级的 电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布 . N2 N1 叫
做粒子数反转分布.
E2 .. .. . N2 E2 ............. N2
E1 。。。E。。2。。。。。。E。1。N1
E1 。E。2 。。E。1 N1
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
. E2
E2
h
。
h h
E1
E1 .
发光前
发光后
受激辐射的光 放大示意图
如果处于能级E2上的原子数密度为N2，入射光单 色辐射能量密度为 ()，则在单位时间内受激辐射
的原子数密度为
dN 21 dt

B21()N 2
B21为受激辐射系数，令 W21 B21()
一个原子系统中有处于能级E2的原子时，就有自 发辐射，而这种自发辐射的光子对于原子就是外 来光子，会引起它的受激辐射的发生（也有受激 吸收发生）。占优势，证明，在热平衡体系中
W21 A21

1 e h / kT
-1
越小，T越大，受辐射跃迁的概率与自 发辐射跃迁概率比值越大。
（ii）自发辐射、受激吸收和受激辐射的关系