激光 — 裝置和工作原理

光通過介質時的正常行為

通常，當光通過介質時，其強度會降低。這個衰減的數值可以從布格定律找到：

在這個方程中，除了進入和離開介質的光強 I 之外，還有一個因素稱為介質的線性光吸收係數。在傳統光學中，該係數始終為正。

負光吸收

如果由於某種原因吸收係數為負怎麼辦？然後怎樣呢？光通過介質時會被放大；事實上，介質會顯示負吸收。

觀察這樣一幅畫面的條件是可以人為創造的。蘇聯物理學家 Valentin Alexandrovich Fabrikant 於 1939 年提出了關於實現所提出現象的方法的理論概念。

在分析假設的光放大介質穿過它的過程中，法布里康特提出了光放大原理。而在 1955 年蘇聯物理學家 Nikolai Genadievich Basov 和 Alexander Mikhailovich Prokhorov 將 Fabrikant 的這一想法應用於電磁頻譜的射頻區域。

考慮負面吸收可能性的物理方面。在理想化的形式中，原子的能級可以用線來表示——就好像每個狀態下的原子只有嚴格定義的能量 E1 和 E2 一樣。這意味著當從一種狀態轉變到另一種狀態時，原子要么發射要么吸收精確定義波長的單色光。

但現實遠非理想，事實上原子的能級有一定的有限寬度，也就是說，它們不是精確值的線。因此，在能級之間的躍遷過程中，也會有一定範圍的發射或吸收頻率dv，這取決於發生躍遷的能級寬度。 E1和E2的值只能用來表示原子的中間能級。

因此，由於我們假設 E1 和 E2 是能級的中點，我們可以考慮處於這兩種狀態的原子。讓E2>E1。當原子在這些能級之間通過時，它可以吸收或發射電磁輻射。假設處於基態 E1 的原子吸收能量為 E2-E1 的外部輻射並進入激發態 E2（這種躍遷的概率與愛因斯坦係數 B12 成正比）。

處於激發態 E2 的原子在能量為 E2-E1 的外輻射作用下發射出能量為 E2-E1 的量子，並被迫躍遷到能量為 E1 的基態（這種躍遷的概率與愛因斯坦係數 B21)。

如果一束體積光譜密度為 w(v) 的平行單色輻射光束穿過單位橫截面積和厚度為 dx 的物質，則其強度將發生以下值的變化：

這裡n1是E1態原子的濃度，n2是E2態原子的濃度。

代入方程右邊的條件，假設B21 = B12，再將B21的表達式代入，可得窄能級光強變化方程：

實際上，如上所述，能級不是無限窄的，因此必須考慮它們的寬度。為了不讓文章因變換描述和一堆公式而變得雜亂無章，我們只需注意，通過輸入一個頻率範圍，然後對 x 進行積分，我們最終將得到一個用於計算平均值的實際吸收係數的公式：

由於顯然在熱力學平衡條件下，低能態E1的原子濃度n1總是大於高能態E2的原子濃度n2，所以正常情況下不可能有負吸收，不可能放大光通過一個真實的環境而不採取任何額外的措施......

為了使負吸收成為可能，需要創造條件使介質中激發態E2的原子濃度大於基態E1的原子濃度，即需要組織介質中原子根據其能量狀態的反向分佈。

對環境能量抽取的需求

為了組織能級的反轉群體（以獲得活性介質）泵浦（例如光或電）被使用。光泵浦涉及原子吸收指向它們的輻射，因此這些原子進入激發態。

氣體介質中的電泵浦涉及通過與氣體放電中的電子的非彈性碰撞來激發原子。根據 Fabrikant 的說法，原子的一些低能態必須通過分子雜質來消除。

在兩能級介質中使用光泵浦幾乎不可能獲得活性介質，因為在這種情況下，每單位時間從狀態 E1 到狀態 E2 的原子從數量上躍遷到狀態 E2，反之亦然（！）將是等效的，這意味著有必要至少採用三層系統。

考慮一個三級泵送系統。讓具有光子能量E3-E1的外部輻射作用於介質，同時介質中的原子從能量E1的狀態轉變為能量E3的狀態。從 E3 能量狀態，自發躍遷到 E2 狀態和 E1 狀態是可能的。為獲得反轉布居數（當給定介質中具有更多 E2 能級的原子時），有必要使 E2 能級比 E3 壽命更長。為此，遵守以下條件很重要：

符合這些條件將意味著處於 E2 態的原子保持更長時間，即從 E3 到 E1 和從 E3 到 E2 自發躍遷的概率超過從 E2 到 E1 自發躍遷的概率。那麼E2級就會變得更持久，E2級的這種狀態可以稱為亞穩態。因此，當頻率為 v = (E3 - E1) / h 的光通過這種活性介質時，該光將被放大。同理，可採用四能級系統，則E3能級為亞穩態。

激光裝置

因此，激光器包括三個主要組件：活性介質（在其中產生原子能級的粒子數反轉）、泵浦系統（用於獲得粒子數反轉的裝置）和光學諧振器（放大輻射多次並形成輸出的定向光束）。活性介質可以是固體、液體、氣體或等離子體。

連續或脈沖地進行泵送。在連續泵送的情況下，介質的供應受到介質過熱和這種過熱後果的限制。在脈衝泵送中，由於每個脈衝的功率都很大，因此可以更多地獲得零碎地引入介質中的有用能量。

不同的激光器——不同的泵浦

固態激光器通過用強大的氣體放電閃光、聚焦太陽光或其他激光照射工作介質來泵浦。這始終是脈衝泵浦，因為功率如此之高以至於工作棒在連續作用下會坍塌。

液體和氣體激光器通過放電進行泵浦。化學激光器假設在其活性介質中發生化學反應，結果是從反應產物或具有適當能級結構的特殊雜質中獲得反轉的原子數量。

半導體激光器由通過 pn 結的正向電流或電子束泵浦。此外，還有光解離或氣體動力法（加熱氣體的突然冷卻）等泵送方法。

光諧振腔——激光器的心臟

光學諧振器是一對鏡子的系統，在最簡單的情況下，兩個鏡子（凹面或平行）彼此相對固定，並且在它們之間沿公共光軸存在晶體或晶體形式的活性介質帶氣體的比色杯。以一定角度穿過介質的光子將其留在側面，沿軸移動的光子被多次反射，被放大並通過半透明鏡射出。

這會產生激光輻射——一束相干光子——一種嚴格定向的光束。在鏡子之間的一次光通過期間，增益的大小必須超過某個閾值 - 通過第二個鏡子的輻射損失量（鏡子傳輸越好，這個閾值必須越高）。

為了有效地進行光放大，不僅需要增加光在活性介質內的路徑，而且要保證離開諧振器的波彼此同相，那麼干涉波將給出最大可能的振幅。

為了實現這個目標，諧振器中的每個波都必須返回到源鏡上的一個點，並且通常在有源介質中的任何點，在任意次數的完美反射後與主波同相.當波在兩個返回之間傳播的光路滿足以下條件時，這是可能的：

其中 m 是一個整數，在這種情況下，相位差將是 2P 的倍數：

現在，由於每個波與前一個波的相位相差 2pi，這意味著所有離開諧振器的波都將彼此同相，從而產生最大幅度的干擾。諧振器在輸出端將具有幾乎單色的平行輻射。

諧振腔內反射鏡的工作將放大對應於諧振腔內駐波的模式；其他模式（由於實際條件的特殊性而產生）將被削弱。

紅寶石激光器——第一台固態激光器

第一個固態裝置於 1960 年由美國物理學家 Theodore Maiman 製造。這是一种红寶石激光器（紅寶石 - Al2O3，其中一些晶格位置 - 在 0.5% 以內 - 被三重電離鉻取代；鉻越多，紅寶石晶體的顏色越深）。

1960 年 Ted Mayman 博士設計的第一台成功工作的激光器。

由最均勻的晶體製成的紅寶石圓柱體，直徑為 4 至 20 毫米，長度為 30 至 200 毫米，被放置在兩個鏡子之間，鏡子以銀層的形式應用於這個精心拋光的末端圓柱。螺旋形氣體放電燈沿整個長度圍繞圓柱體，並通過電容器提供高壓。

當燈打開時，紅寶石受到強烈照射，同時鉻原子從 1 級移動到 3 級（它們處於這種激發態的時間不到 10-7 秒），這是最有可能躍遷到的地方達到 2 級——達到亞穩態水平。多餘的能量被轉移到紅寶石晶格中。從 3 級到 1 級的自發過渡是微不足道的。

選擇規則禁止從級別 2 到級別 1 的過渡，因此該級別的持續時間約為 10-3 秒，比級別 3 長 10,000 倍，因此原子在級別 2 的紅寶石中積累 -這是2級的反向人口。

在自發躍遷期間自發產生，光子會導致從 2 級到 1 級的強制躍遷，並引發二次光子的雪崩，但這些自發躍遷是隨機的，它們的光子傳播混亂，大部分通過其側壁離開諧振器。

但是那些撞擊軸的光子經歷了來自鏡子的多次反射，同時導致二次光子的強制發射，這再次引發了受激發射，等等。這些光子將沿與主要光子相似的方向移動，並且沿晶體軸的通量將像雪崩一樣增加。

倍增的光子流將以具有巨大強度的嚴格定向光束的形式通過諧振器的側面半透明鏡射出。紅寶石激光器的工作波長為 694.3 nm，而脈衝功率可達 109 W

帶氦氣​​的氖激光器

氦氖（氦/氖 = 10/1）激光器是最流行的氣體激光器之一。氣體混合物中的壓力約為 100 Pa。氖作為活性氣體，以連續模式產生波長為 632.8 nm 的光子。氦氣的功能是從氖氣的較高能級之一產生反向布居。這種激光的光譜寬度約為5 * 10-3 Hz 相干長度6 * 1011 m，相干時間2 * 103°C。

當泵浦氦氖激光器時，高壓放電會導致氦原子躍遷到 E2 能級的亞穩激發態。這些氦原子與處於 E1 基態的氖原子發生非彈性碰撞，從而轉移它們的能量。氖的 E4 能級的能量比氦的 E2 能級高 0.05 eV。能量的缺乏由原子碰撞的動能來補償。結果，在氖的 E4 能級，獲得了相對於 E3 能級的反轉布居數。

現代激光器的類型

根據活性介質的狀態，激光器分為：固體、液體、氣體、半導體，也有晶體。按泵送方式分為：光學式、化學式、氣體式。按產生的性質，激光分為：連續的和脈衝的。這些類型的激光器發出電磁波譜可見範圍內的輻射。

光學激光器比其他激光器出現得晚。它們能夠產生近紅外範圍內的輻射，這種輻射（波長可達 8 微米）非常適合光通信。光學激光器包含纖芯中的光纖，其中引入了幾種合適的稀土元素離子。

與其他類型的激光器一樣，光導安裝在一對鏡子之間。泵浦時，將具有所需波長的激光輻射送入光纖，使稀土元素的離子在其作用下進入激發態。回到較低的能量狀態，這些離子發射的光子波長比初始激光的波長更長。

以這種方式，光纖充當激光光源。其頻率取決於添加的稀土元素的類型。光纖本身由重金屬氟化物製成，可有效產生紅外範圍頻率的激光輻射。

X 射線激光佔據光譜的另一側——介於紫外線和伽馬之間——波長為 10-7 至 10-12 米的數量級。這種類型的激光在所有類型的激光中具有最高的脈衝亮度。

第一台 X 射線激光器於 1985 年在美國利弗莫爾實驗室建成。勞倫斯。硒離子產生的激光，波長范圍為18.2～26.3nm，最高亮度落在20.63nm波長線上。今天，已經用鋁離子實現了波長為 4.6 nm 的激光輻射。

X 射線激光由持續時間為 100 ps 至 10 ns 的脈衝產生，這取決於等離子體形成的壽命。

事實上，X 射線激光的活性介質是高度電離的等離子體，例如，當用可見或紅外光譜中的高功率激光照射釔和硒薄膜時，就會獲得這種等離子體。

X 射線激光的脈衝能量達到 10 mJ，而光束的發散角約為 10 毫弧度。泵浦功率與直接輻射之比約為0.00001。