产生激光的条件

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激光与普通光的不同之处是:它不仅要受到外来某种波长光的激发，而且工作介质的原子要产生共振现象，在某一特定激发频率和电压作用下，突然产生“雪崩”现象，有能量很高的同步单色光从激光器中发出，这样不仅能产生高度单色同步的相干光，而且可以被放大。为此，激光器必须有谐振腔使光子实现同步共振。(1)粒子数反转。当工作介质在激发光源照射下产生辐射效应的开始阶段，有受激吸收、自发辐射和受激辐射等多种跃迁过程并存，吸收过程使光子数减少，辐射过程使光子数增加。而要产生放大作用，光子数必须按指数规律激增。光子数究竟是增加还是减少，取决于上述两个对立过程哪一个占优势。从原子状态上说，如果处于高能态的原子数大于低能态原子数.那么处于受激辐射的原子就会呈现“雪崩”式的快速增长效应。但是经典热力学的能态统计分布规律表明，在正常状态下，处于低能态的粒子数多于高能态粒子统计值，受激吸收占优势，不可能产生放大现象。要实现放大效应，必须实现“粒子数
反转”，这是产生激光的必要条件。怎样实现粒子数反转呢?首先取决千工作介质的选择，必须选择激活介质。这种物质原子的能级结构是适合于被外来辐射激活的。其次必须从外界输入能量，使激活介质有尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态，成为高能态粒子，这一能量输运过程称为激励或光泵、泵浦。外界激励手段可以是光辐射、气体放电、化学激励，也可以是核能激励，什么样的物质适合于作为激活介质呢?一般地说，原子能级具有亚稳态的物质是适合作为激活介质的。一般原子的激发态很不稳定，平均经过 10一“秒即发生跃迁。但有些物质原子中存在平均寿命 10”-1 秒之间的亚稳态。由于被激发的原子在这种状态下存在的时间比激发态要长 10 万倍以上，在受到外来激发时，处于亚稳态的粒子数不断增加，而处在基态上的原子数相对数量减少，到一定时刻必然出现粒子数反转，即亚稳态 原子大于基态原子的转变，这就为“雪崩”效应准备了
。(2)光学谐振腕。选择了适当的工作介质，经过外界激励后产生光放大，但并不能保证光振动相位、方向、频率高度同步。因为原子中相同能级间的跃迁是随机的，因而，产生光子的振动状态散乱复杂。同时，还有大量光子是由于自激辐射产生的，光子的振动状态更是随机的。怎样把其他方向和频率的光子抑制住，而使某一方向、某一频率的光子享有最优越的条
生被放大呢?采用光学谐振腔即可实现这一目标。最常用的光学谐振腔是在工作介质两端放置一彼此平行的反射镜，这两个反射镜可以是平面错也可以是凹面错和凸面镜。其中，一个是反射率为 100%的全反射镜，另一个是部分反射镜。在工作介质中，实现粒子数反转的原子受外来光诱发产生受激辐射的光子，凡是偏离谐振腔轴线方向运动的光子或者直接逸出腔外，或者经几次来回反射后最终逸出腔外，只有沿轴线方向运动的光子在腔内来回被反射，产生连续式放大，在一定条件下，最终从部分反射镜透射出很强的单色同步光束，这就是激光。
(3)闻值条件。工作介质加上谐振，还不一定能产生激光，因为谐振脑除了产生光的放大作用(或增益)外，还存在各种损耗，如工作介质对光的吸收、散射作用，反射吸收和放射作用，这些损耗可能会抵消谐振腔的放大作用。只有当光在谐振腔内来回一次产生的增益作用大于上述损耗时，才能形成激光。这个全增益超过损耗的条件即是闻值条件。