激光的发光机制比普通光源发光机制要复杂得多，为此我们必须首先了解以下几个概念。此概念在讨论激光发光机制时将会用到。所谓激光，指的就是受激辐射光放大。3．光学谐振腔从理论上讲，只要使工作物质实现粒子数反转，就可能产生受激辐射并引起光放大，从而获得强大的激光束。......
2023-12-04
光学共振腔的工作原理：提高激光产生概率，实现单向辐射
【摘要】：从高能态E2跃迁到低能态E1，同时发生受激辐射，即发出一个与外来光子同频率、同相位、同振动方向和同传播方向的光子。理论分析表示，发光原子系统发生受激辐射过程与发生光吸收过程的概率之比，等于处于高能态的原子数N2与处于低能态的原子数N1之比，即N2／N1。所以，要获得激光，必须提高受激辐射的概率，而且要使某单一方向上的受激辐射占优势，这就是光学共振腔的主要作用。图7-3-1光学共振腔的工作原理
（一）自发辐射和受激辐射
假设原子处于能量为E1的低能态，由于从外界吸收了一个能量为hν的光子而达到能量为E2的高能态，这一过程称为光吸收。当原子从高能态跃迁到低能态时，必将发射出能量为hν的光子，这一过程称为光辐射。而光辐射可能有两种情形：一种情形是原子自发地由高能态跃迁到低能态，这称为自发跃迁，相应的辐射称为自发辐射；另一种情形是在外界的影响下原子才由高能态跃迁到低能态，这称为感应跃迁，相应的辐射称为受激辐射。
hν=E2-E1
普通光源中的原子发光都是自发辐射过程。光源中的大量原子各自处于不同的激发态，并且各自独立地向基态跃迁，所发出的光的频率、振动方向、传播方向以及相位都各不相同，所以彼此是不相干的。
原子在某一能态停留的平均时间，就是该能态的平均寿命，用t表示。处于高能态的原子中，在单位时间内从高能态E2自发跃迁到低能态E1的原子数比率A21，称为原子自发跃迁的概率，它与高能态E2的平均寿命t之间有下面的关系
t=1/A21
这表明，自发跃迁的概率越大，该能态的平均寿命就越短。一般激发态自发跃迁的概率都很大，所以激发态的平均寿命通常极其短暂，约为10-8s。
处于高能态E2的原子在发生自发跃迁之前，若受到能量为hν的外来光子的扰动，就可能发生感应跃迁。从高能态E2跃迁到低能态E1，同时发生受激辐射，即发出一个与外来光子同频率、同相位、同振动方向和同传播方向的光子。这样，连同入射的那个光子，将得到两个同样的光子。既然入射一个光子可以得到两个处于相同状态的光子，那么能否得到三个、四个乃至更多的同频率、同相位、同振动方向和同传播方向的光子呢？如果发生这种被称为光放大的过程，那么我们就能获得一束单色性和相干性都很好的高强度光束，这就是激光。如何发生光放大过程呢？这决定于发光系统中的原子所处的状态。
（二）是光放大还是光吸收
在一般情况下，当光子通过发光系统时，光吸收过程和受激辐射过程都有可能发生，而要发生光放大过程，必须使受激辐射过程占优势。理论分析表示，发光原子系统发生受激辐射过程与发生光吸收过程的概率之比，等于处于高能态的原子数N2与处于低能态的原子数N1之比，即N2／N1。所以，发生光放大过程必须满足N2／N1≫1，也就是说，要使大量原子处于高能态，而处于低能态的原子数很少。但是，在平衡态下，处于高能态的原子数总是远少于处于低能态的原子数，并且能级间距越大，两能级上原子数的这种差别就越悬殊。
可见，要实现光放大过程，必须满足N2≫N1，这种分布方式称为粒子数反转，粒子数反转是实现光放大过程的基本条件。
（三）粒子数反转的实现
在通常的物质中，粒子数反转是难以实现的，这是由于这些物质的原子激发态的平均寿命都极其短暂，当原子被激发到高能态后，会立即自发跃迁返回基态，不可能在高能态等待并积攒足够多的原子从而出现粒子数反转的情形。但是，有些物质的原子能级中存在一种平均寿命比较长的高能态能级，这种能级称为亚稳能级，亚稳能级的存在使粒子数反转的实现成为可能。
在形成E2能级对E1能级的粒子数反转的过程中，外界是要向工作物质提供能量的。原子获得能量才能从低能态激发到高能态，这种过程称为抽运过程。将原子从低能态激发到高能态，可以通过不同的激励方式，光激励是其中的一种。还可以用放电过程引起粒子碰撞，以传递能量，这种方法称为电激励。总之，要形成粒子数反转，必须建立适当的能量输入系统。
（四）光学共振腔
只有工作物质的粒子数反转并不能产生激光，这是由于在一般情况下自发辐射的概率比受激辐射的概率大得多，这样发出的光是沿各个方向传播的散射光，不具有相干性。所以，要获得激光，必须提高受激辐射的概率，而且要使某单一方向上的受激辐射占优势，这就是光学共振腔的主要作用。
光学共振腔，简单地说是在工作物质两端分别平行放置全反射镜M1和部分反射镜M2所形成的腔体，如图7-3-1所示。最初，处于粒子数反转的工作物质中有一部分原子要发生自发辐射，光子向各个方向发射，沿其他方向发射的光子都一去不复返，而只有沿管轴方向发射的光子受到反射镜的往返反射。这些被往返反射的光子在工作物质中穿越时就不断地引发受激辐射，因而得到放大，强度越来越大，从部分反射镜M2射出，这就是激光。
图7-3-1 光学共振腔的工作原理
有关自然科学基础的文章
- 详细阅读
-
如何构建稳定的光学谐振腔？详细阅读
在光学谐振腔内，只有平行于轴线传播的光才能被来回反射形成激光，而其他方向传播的光将逸出腔体。光学谐振腔起到了提供正反馈、选择光波的方向和频率的作用。两个平行的平面反射镜构成了最简单的光学谐振腔，称为平行平面腔，多用于固体激光器。激光器要获得稳定的输出，谐振腔必须达到稳定条件，从而使光线在腔内任意多次往返后而不横向逸出腔外。......
2023-06-26
-
液控单向阀的应用及工作原理详细阅读
图4.1单向阀图4.2单向阀用于双泵系统1—液压泵;2—单向阀;3—溢流阀;4—滤油器2)单向阀的应用单向阀一般用于双泵系统。为解决这一问题,可将C 孔堵住,在D 腔开泄油孔将油液单独引回油箱,这种液控单向阀称为外泄式液控单向阀。因此,这种液控单向阀可用于压力较高的液压系统中。图4. 4为液控单向阀的图形符号。2)液控单向阀的应用液控单向阀用于液压缸的锁紧,如图4.5 所示。......
2023-06-18
-
激光产生的基本条件详细阅读
激光与普通光源不同，它是在介质内的受激辐射作用下向外发出大量的光子而形成的。激光的产生必须具备以下三个基本条件：有对光场提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子有适合产生受激辐射的能级结构。有能使激光上下能级之间产生粒子反转的外界激励源。当光和介质相互作用时，介质中存在吸收和受激辐射这两个物理过程。也就是说，在热平衡状态时，激光工作物质产生激光是不可能实现的。......
2023-06-27
-
激光切割的原理与分类解析详细阅读
激光切割按照激光束的输出时间特性可以分为连续激光切割和脉冲激光切割。连续激光切割是重要的激光切割加工形式，主要用于各种材料的高效切割，而脉冲激光主要应用于材料的精密切割。下面以连续激光切割为对象，介绍激光切割的原理和方法分类。激光切割的原理如图4-1-38所示。......
2023-06-26
-
激光加热实现表面淬火详细阅读
当激光束移开加热表面后，该处的热量便迅速传导至表面上的其余冷态部分，即相当于自行激冷淬火，而无须采取别的急冷措施。与普通热处理相比，激光加热表面淬火具有以下特点。激光加热表面淬火最大的不足是激光发生器价格昂贵。因为激光加热表面淬火具备以上优点，因此虽然开发时间较短，但进展较快，已在一些机械产品的生产中获得成功应用，如变速箱齿轮、发动机气缸套、轴承圈和导轨等。......
2023-06-24
-
CO2激光器的工作原理及类型介绍详细阅读
气体分子在振荡器中分布均匀性好，故CO2激光器的光束质量好，易获得接近衍射极限的高斯光束。通常将输出功率为300W～1kW的称为大功率CO2激光器，输出功率1kW以上的称为高功率CO2激光器。CO2激光器按其工作原理可分为多种类型，目前主要的类型有三种：快速轴流型、横流型和扩散冷却型。......
2023-06-26
-
激光固化自由成形的原理详细阅读
激光固化自由成形机由液槽、可升降工作台、激光器及扫描系统、计算机数控系统等组成。在这一层液态光敏树脂受到紫外激光束照射的部位，液态光敏树脂发生聚合反应而快速固化，形成相应的一层固态的成形件截面轮廓和支撑结构。......
2023-06-15
相关推荐