本
文
摘
要
激光是如何产生的？
我们先了解一下光的辐射：在光辐射中存在三种辐射过程，一是自发辐射：处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁；二是受激辐射：处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁；三是受激吸收：处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁。
对于自发辐射，即使是两个同时从某一高能态向低能态跃迁的粒子，它们发出光的相位、偏振状态、发射方向也可能是不同的，但受激辐射却不是这样，当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，会发出在频率、相位、偏振状态等方面与外来光子完全相同的光。
1917年，爱因斯坦在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出了受激辐射的概念。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。
在激光器中，发生的辐射就是受激辐射，它发出的激光在频率、相位、偏振状态等方面完全一样。任何的受激发光系统，既有受激辐射，也有受激吸收，只有受激辐射占优势，才能把外来光放大而发出激光。而一般光源中都是受激吸收占优势，只有粒子的平衡态被打破，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数（这样情况称为离子数反转），才能发出激光。
产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。
1.粒子数反转：这是产生光的受激发射的首要条件。在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转—在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。
2.满足阈值条件：实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件，才能输出稳定的激光。
3.满足谐振条件：激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4.......时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则f=qc/2NL 该式称为谐振条件。它表明谐振腔长度L和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。
激光器的结构：
一般包括三个部分：工作介质、激励源和谐振腔
1、工作介质
要产生激光必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中，可以实现粒子数反转，以制造获得发出激光的必要条件。目前，激光工作介质已经有近千种，可以发出的激光波长从紫外一直到远红外。
2、激励源
为了使工作介质中出现粒子数反转，必须采取一定的方法去激励整个原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法，利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等其它形式。这些激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
3、谐振腔
有了合适的工作介质和激励源以后，实现了粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度仍然很弱，无法获得实际应用。光学谐振腔的作用就是进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，像雪崩一样被持续放大，就会产生强烈的激光，从部分反射镜子一端射出。
