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       激光器是一種新型的發(fā)光器件，和前述的常見光源相比，有方向性強(qiáng)、單色性好、相干性好、亮度高等突出優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。

激光器概述 1.激光的基本特征

       所謂激光，是指由原子（離子、分子等）系統(tǒng)受激輻射光放大形成的一種光子簡并度很高的光輻射。所謂光子簡并度，即某個(gè)狀態(tài)（模式）中所具有的平均光子數(shù)，就稱為該狀態(tài)的光子簡并度。對(duì)激光含義的這種表述，明確了：

    （1）激光產(chǎn)生的物理機(jī)理是受激輻射（受激輻射放大）；

    （2）不是一有受激輻射放大的光輻射就是激光，該受激輻射放大過程必須使光輻射的光子簡并度達(dá)到足夠高的值。

       激光的最為基本的特性是：其光輻射能量在量子狀態(tài)（模式）上的高度集中性，即高光子簡并度。由于激光具有高光子簡并度這一基本特性，因而

反映在空間，顯示出了好的方向性與空間相干性；

反映在頻域，顯示出了好的單色性與時(shí)間相干性；

反映在時(shí)域，顯示出了好的超短性；

反映在能量的可集中性上，顯示出了很高的單色亮度。

      由上述可知，高光子簡并度才是激光最為基本的特性，而好的方向性、好的單色性、好的空間與時(shí)間相干性等僅是高光子簡并度這一基本特性在不同方面的反應(yīng)。這是因?yàn)楣馐姆较蛐?、單色性、空間與時(shí)間相干性等，都可以通過一個(gè)適當(dāng)?shù)钠胀ü鈱W(xué)系統(tǒng)加以提高，但無法通過一個(gè)普通的光學(xué)系統(tǒng)提高光束的光子簡并度。

      為了能對(duì)激光的高光子簡并度這一基本特性有更深刻的理解，我們將激光與原子能技術(shù)做一對(duì)比：原子能，作為一種新型能源，與相同的普通能源（如煤）相比，其所釋放的能量可以有成億倍的提高；激光作為一種新型光源，與相同功率的普通光源（如電燈）相比，其所發(fā)射的光能量并不能提高，而是光能量在狀態(tài)（模式）上有了成億倍的集中，也就是其光子簡并度（單色亮度）可以有成億倍的提高。

       因此，激光的出現(xiàn)，其重要的應(yīng)用意義在于： 

    （1）使信息技術(shù)從無線電波段全面推進(jìn)到了光頻波段。因?yàn)楣馐切畔⒌闹匾d體，通過激光實(shí)現(xiàn)了10¹²b/s量級(jí)的極大信息容量，10¹²b/s量級(jí)的極快運(yùn)算速度，10¹²b/cm3量級(jí)的極高存儲(chǔ)密度，從而使我們進(jìn)入了新的光信息時(shí)代。

    （2）實(shí)現(xiàn)了光能量在空間、頻率及時(shí)間上的高度集中，使光的亮度有了成億倍的提高。因?yàn)楣庖彩悄芰康闹匾d體，通過激光實(shí)現(xiàn)了1022W/cm²量級(jí)的極高功率、1014Pa量級(jí)的極高壓強(qiáng)、10Ms量級(jí)的極短脈沖與極快可分辨過程、10¹²K量級(jí)的極高溫度與10"K量級(jí)的極低溫度、108nm量級(jí)的極窄頻寬與極精密測(cè)量、108m量級(jí)的極小可聚焦光斑與極精密加工。因此，激光在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育及高技術(shù)研究等領(lǐng)域開辟了一系列重要的應(yīng)用。

2.激光的產(chǎn)生

    （1）受激輻射。圖2-12表示了在原子的兩個(gè)能級(jí)之間產(chǎn)生躍遷的吸收、自發(fā)發(fā)射和受激輻射的三個(gè)基本過程。設(shè)E1為基態(tài)，E2為激發(fā)態(tài)。這二能態(tài)之間的任何躍遷都伴隨著發(fā)射或吸收頻率為υ12、取決于兩能態(tài)之間的能量差，即hvy12=E2-E1。常溫下大部分原子處于基態(tài)，如果能量正好等于hVl2的光子碰擊此系統(tǒng)時(shí),處于能態(tài)E1上的原子會(huì)吸收光子而進(jìn)入激發(fā)態(tài)E2,這就是吸收過程，如圖2-12（a）所示。原子在激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，在沒有任何外界刺激的條件下，有自發(fā)返回基態(tài)的趨勢(shì)，并放出能量為hv12的光子。這種原子從高能態(tài)自發(fā)地返回到低能態(tài)的過程稱為自發(fā)發(fā)射（或自發(fā)輻射），如圖2-12（b）所示。自發(fā)發(fā)射的特點(diǎn)是，每個(gè)原子的躍遷都是自發(fā)地獨(dú)立進(jìn)行，它們彼此毫無關(guān)系，因而發(fā)出是雜亂無章的非相干光。自發(fā)發(fā)射的壽命也就是原子處在激發(fā)態(tài)的平均時(shí)間，一般為109?103s,壽命的長短取決于半導(dǎo)體參量，如禁帶寬度（直接的或間接的）及復(fù)合中心的密度。另一種躍遷過程是，當(dāng)能量為”12的入射光子激勵(lì)己處于激發(fā)態(tài)的原子后，原子因受激而躍回基態(tài)，并發(fā)射出頻率、相位和方向都與入射光子相同的能量為肘12的光子。這種過程稱為受激輻射（或稱為感生輻射），如圖2-12（c）所示。

圖2-12      能級(jí)間躍遷的基本過程