激光发光的原理

更新: 2016-07-28 22:08 作者:

水和蒸汽是动力革命的关键技术。20世纪,电子学是技术发展背后的驱动力。21世纪初期,工程师将光和激光作为执行不同任务的介质,预计光学将塑造未来几十年的技术,如果对激光有兴趣的话就来了解一下激光发光的原理吧。。。

首先看原子发光的原理,下图是原子的电子能级图,量子力学告诉我们原子外围的电子在其轨道上绕着原子运转,电子的轨道是一系列离散的轨道,电子只能在这些离散的轨道上运转而不能处在两个轨道之间,各个轨道都代表一个特定的能量值,一系列的轨道形成一些列的轨道能级,离原子核越接近轨道的能量越低,反之能量越高。

激光发光的原理

电子跃迁的特点:当电子从高能级跃迁到低能级如从E2能级跃迁到E1能级,会释放处一个光子其能量为E2-E1,当电子从低能级上升到高能级会吸收一个光子且光子的能量必须恰好为两个轨道的能级差,其他能量的光子不能被吸收

激光发光的原理

受激辐射:想象这样一种情况,一个激发态原子的电子在E2能级轨道上运行,突然受到一个能量为E2-E1的光子的照射,若果是其他能量的光子还好,可偏偏光子的能量为一个能极差的能量,电子受到光子的作用产生了“共振”,就不在淡定了,那个不淡定的电子能怎么办呢?如果处在低能级E1还好,那就吸收光子并且跃迁到E2能级轨道,可偏偏电子原本就在E2能级轨道,向上一个能级E3跃迁能量又不够,所以处在E2能级的不淡定的电子只有一种命运那就是从E2能级跃迁到E1能级,这样不但要吐出原来的光子而且由于跃迁,本身还要辐射出一个能量为E2-E1的光子,这样就总共放射出2个能量完全相同的光子。

激光发光的原理

联级效应:设想如果一个空间内有很多像刚才那样的原子,其电子在E2能机上运行,突然来了一个能量为E2-E1的光子照在某个原子上,原子受到激发辐射了两个完全一样的光子,那这两个辐射出的光子又会照射到另外两个原子上辐射出4个完全一样的光子,就这样一传十,十传百的一发不可收拾,辐射了大量的光子,并且光子的能量完全相同

激光发光的原理

以上是理论上的激光原理,下面来看一下工程实际中激光器的构成,要想激光器能够发光,首先要有一种能够被激发的活跃材质,一般它被称为增益介质

激光发光的原理

谐振腔:增益介质发出的光如果不加以限制,就会从增益介质中跑掉,则激光的强度也不是很强,为了增强激光的强度并控制光的传播方向,需要一个谐振腔,最简单的谐振腔只包含两篇镜子,它们不断的把光束反射回增益介质,使发出的光继续参与联级激发发光,总之谐振腔决定了激光的传播方向并且保证受激辐射光得到足够的放大

激光发光的原理

泵浦和冷却:要使激光器联系发光,就必须将受激辐射发出光子后的原子再在重新激发,使其恢复到激发态否则,没有足够稳定的激发态原子,那激光发射器就变成一锤子买卖了。对增益介质进行重新激发的过程被称为泵浦,每一个激光源都需要一个彭浦源,它用光能、电能或者化学能来泵浦或者激发增益介质。另外,增益介质不断被激发到比上能级还要高的能级,在这之后,原子会通过一些列复杂的过程回到基态,这样激光系统中很大一部分转换成了热能,为了保证增益介质和谐振腔不被过渡加热,必须有一个冷却装置将热量及时带走

最基本的激光器构成示意图如下图所示

激光发光的原理