激光发生原理了解激光发生原理,咱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。风趣的是,电子在原子中的能量并不是恣意的。描绘微观世界的量子力学告知咱们,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。为了简略起见,咱们咱们能够如图一所示,把这些能阶幻想成一些绕着原子核的轨迹,间隔原子核越远的轨迹能量越高。此外,不同轨迹最多可包容的电子数目也不同,例如最低的轨迹(也是最近原子核的轨迹)最多只可包容2个电子,较高的轨迹则可包容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],但它足以让咱们阐明激光的根底原理。电子能够透过吸收或开释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,它便或许从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能阶(图二a)。同样地,一个坐落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)。在这些进程中,电子吸收或开释的光子能量总是与这两能阶的能量差持平。由于光子能量决议了光的波长,因而,吸收或开释的光具有固定的色彩。图二原子内电子的跃迁进程当原子内一切电子处于或许的最低能阶时,整个原子的能量最低,咱们称原子处于基态。图一显现了碳原子处于基态时电子的摆放情况。当一个或多个电子处于较高的能阶时,咱们称原子处于受激态。前面说过,电子可透过吸收或开释在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种方式﹕-电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶(图二a)。-电子自发地透过开释光子从高能阶跃迁到较低能阶(图二b)。-光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶,并开释光子。入射光子与开释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,最终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便是由第三种跃迁机制所发生的。图三显现红宝石激光的原理。它由一枝闪光灯,激光介质和双面镜所组成。激光介质是红宝石晶体,傍边有微量的铬原子。在开始时,闪光灯宣布的光射入激光介质,使激光介质中的铬原子遭到激起,最外层的电子跃迁到受激态。此刻,有些电子会透过开释光子,回到较低的能阶。而开释出的光子会被设于激光介质两头的镜子来回反射,诱发更多的电子进行受激辐射,使激光的强度添加。设在两头的其间一面镜子会把悉数光子反射,另一面镜子则会把大部分光子反射,并让其他小部分光子穿过﹔而穿过镜子的光子就构成咱们所见的激光。图四粒子数回转的状况发生激光还有一个奇妙之处,便是要完成所谓粒子数回转的状况。以红宝石激光为例(图四),原子首要吸收能量,跃迁至受激态。原子处于受激态的时刻很短,大约秒后,它便会落到一个称为亚稳态的中间状况。原子停留在亚稳态的时刻十分长,大约是秒或更长的时刻。电子长时刻留在亚稳态,导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目,此现象称为粒子数回转。粒子数回转是发生激光的要害,由于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,来确保了介质内的光子能够增多,以输出激光。图五一般灯火与激光的比较激光透过受激辐射发生,有以下三大特性(图五)﹕1.
