激光和激光器的初步研究

尤煒軒

(北京市第十四中學，北京 100055)

1 背景介紹

激光是在以20世紀初愛因斯坦的量子理論為基礎的前提下創建的一個嶄新的概念。愛因斯坦發現：在物質與輻射場的相互作用過程中，物質中的處于高能級的原子或分子，可以在光子的激勵下，產生光子的受激發射或吸收，后來又有物理學家發現了這個過程中受激發射光子與入射的激勵光子具有相同的性質，這些理論為激光理論奠定了基礎。之后，到了1954年人們實現了第一臺激光器的制作，同時也打開了量子電子學的大門。在1958年湯姆斯摒棄了老式的思想，提出了開放式光諧振腔的思路，實現了激光器的新思想。1960年美國休斯敦實驗室演示了世界上第一臺紅寶石激光器，使激光器逐漸走進了生活。

2 激光

激光是由光與物質的相互作用而產生，相互作用中的受激輻射過程便是激光的物理基礎。這一概念是由愛因斯坦首先提出，通過參考了普朗克的輻射量子化假設和波爾的原子中電子運動狀態量子化假設，愛因斯坦也將光的能量量子化，從光子出發，他重新推導了黑體輻射的普朗克公式，并在推導過程中提出了3個新概念：自發輻射、受激吸收和受激輻射。圖1（a）為自發輻射，圖1（b）為受激吸收，圖1（c）為受激輻射。

而激光（Laser）的本質就是“通過受激輻射光擴大 ”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，縮寫為Laser），在圖（c）的過程中，我們可以看到入射1個特定頻率的光子后，會使物質中的電子向下躍遷，產生1個相同頻率的光子，這樣就可以出射2個光子，以此類推，將會有更多的相同頻率的光子產生，這些光子具有方向一致、頻率相同、相干性好等特點，這樣就產生了激光。因此激光有如下特點：一是激光的方向性好，普通光源向所有方向發光，但是激光器發出的激光的發散角很小，再加上適當的光學準直系統，激光的發射角可控制在rad以下，這幾乎是一束平行光了。二是激光的單色性好，普通光源包含許多波長的光，具有多種顏色。如日光經過棱鏡后，可以發現它其實是由波長從380～760nm的光混合而成。但是激光的波長分布很窄，如紅寶石激光器發射激光的波長為694.3nm。

圖1

3 激光器

顧名思義，激光器是一種能發射激光的裝置。1954年，人們制成了第一臺微波量子放大器；1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器的原理推廣到光頻范圍；1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器；1961年A.賈文等人制成了第一臺氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人制成了第一臺半導體激光器；之后，激光器的種類就越來越多。一般而言，按工作介質分類，激光器可分為固體激光器、氣體激光器、染料激光器和半導體激光器4大類。

激光器的組成一般由3個重要部分構成，即工作物質、激勵抽運系統、諧振腔。其中激光工作物質是一種激光增益的媒介，其原子或者分子的能級差決定了激光的波長與頻率。激光抽運系統是指為使激光器持續工作給予能量的源頭，它實現并維持了工作物質的粒子數反轉。光學諧振腔是激光生成的容器，有多種多樣的設計方式，是激光器設計的核心。

4 諧振腔

（1）諧振腔的構成。在工作物質的兩端放置2個反射鏡，這就構成一個最簡單的光腔。這種裝置在光學上稱為法布里—珀羅干涉腔，即F-P腔。隨著激光技術的發展，人們又采用了兩塊具有公共軸線的球面鏡構成的腔，稱為共軸球面腔，這類諧振腔屬于開放式光學諧振腔。常見的諧振腔一般分為以下3種：閉腔、開腔、氣體波導腔。如下圖2，圖2（a）為閉腔，圖2（b）為開腔，圖2（c）為氣體波導腔。

圖2

（2）共軸球面腔的穩定條件。如下圖3為常見的一種共軸球面腔，腔內的傳播光線都可以由2個坐標參數來表征：一個參數是光線離光軸的距離 r，另一個參數是光線與光軸的夾角θ。當光纖的出射方向在腔軸線的上方時，θ為正；反之，θ為負。

圖3

設開始時光線從M1面上出發，向M2方向行進，其初始坐標可以由參數r1和θ1描述，到達M2面上時，上述2個參數變成r2、θ2。由幾何光學可知:

該方程可以表示為矩陣形式：

以此類推，圖3中的所有傳到過程可以描述成如下的矩陣乘積，其中，為左右兩面鏡子所在球的半徑：

光線繼續傳播往返n次之后：

穩定腔要求，一直為有限值，根據矩陣的相關知識，這就等同于要求了：

而我們可以計算出A，D的值并代入上式：

得到：

這個不等式就是共軸球面腔的穩定條件，它對于這個腔的腔長L和2個球面鏡所在球的半徑這3個參數有1個限定范圍，這個公式將有助于我們設計產生激光的諧振腔。

5 結語

綜上所述，本文介紹了激光和激光的產生原理，同時介紹了激光器以及激光器的組成結構，并且對激光器內最重要的結構諧振腔進行了具體介紹，并給出了共軸球面腔的穩定條件。

[1]周炳琨等.激光原理（第七版）[M].北京:國防工業出版社,2014.