6.1 激光产生机理¶
激光（Laser，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）是通过受激辐射放大的光。与普通光源的自发辐射不同，激光具有高度的单色性（谱线极窄）、相干性（时间和空间相干）、方向性（发散角极小）和高亮度（能量高度集中）。这四个特性使激光在精密测量、激光加工、通信、传感和医疗等领域具有不可替代的地位。
一、三种光与物质的作用过程¶
1.1 受激吸收¶
处于低能态 $E_1$ 的粒子吸收一个能量为 $h\nu = E_2 - E_1$ 的光子，跃迁到高能态 $E_2$。这是普通材料吸收光的基本过程。
1.2 自发辐射¶
处于激发态 $E_2$ 的粒子自发跃迁回低能态 $E_1$，同时随机发射一个光子（方向、相位、偏振均随机）。白炽灯、荧光灯、LED 均以自发辐射为主。
1.3 受激辐射（激光的核心）¶
处于激发态 $E_2$ 的粒子在一个频率为 $\nu = (E_2-E_1)/h$ 的外来光子触发下，发射出一个与入射光子完全相同（频率、相位、方向、偏振均相同）的新光子，同时跃迁回低能态。
$$\text{入射光子}(h\nu) + \text{激发态粒子} \rightarrow 2 \times h\nu(\text{完全相同})$$
受激辐射实现光的相干放大，是激光区别于普通光源的根本。
二、粒子数反转¶
常温下粒子主要处于低能态（玻尔兹曼分布），受激吸收强于受激辐射，光通过介质只会被吸收而非放大。要实现净放大，必须使高能态粒子数 $N_2$ 大于低能态粒子数 $N_1$，即粒子数反转（Population Inversion）：
$$N_2 > N_1$$
粒子数反转是激光产生的必要条件，通过"泵浦"（Pumping）实现。
2.1 为什么需要三能级或四能级系统¶
两能级系统无法实现粒子数反转——泵浦光同时促进吸收和受激辐射，两者平衡时 $N_2 = N_1$，无法超越。
三能级系统（如红宝石激光）：泵浦到第三能级后快速非辐射弛豫到上激光能级，再激光跃迁到基态。缺点：下激光能级为基态，需要大泵浦功率才能维持反转。
四能级系统（如 Nd:YAG、He-Ne）：下激光能级为激发态（非基态），粒子快速弛豫离开，粒子数反转容易维持，阈值低，效率高。是大多数实用激光器的工作方式。
三、激光器的三要素¶
3.1 增益介质（Active Medium）¶
提供受激辐射放大的材料，决定激光波长和增益特性： - 气体：He-Ne（632.8 nm）、CO₂（10.6 μm）、Ar⁺（514 nm） - 固体：Nd:YAG（1064 nm）、Nd:YVO₄、Er:YAG（2940 nm）、Ti:蓝宝石（可调 650–1100 nm） - 半导体：GaAs（~800 nm）、InGaAs（~980 nm）、InGaAsP（1310/1550 nm 通信波段） - 液体（染料）：可调谐宽谱增益，荧光染料溶液
3.2 泵浦源（Pump Source）¶
向增益介质输入能量，建立粒子数反转： - 光泵浦：闪光灯（脉冲）、激光二极管（连续/准连续），是固体和光纤激光器的主要泵浦方式 - 电泵浦：直接通电，用于半导体激光器和气体放电激光器 - 化学泵浦：化学反应释放能量，用于氟化氢（HF）化学激光器
3.3 谐振腔（Optical Resonator）¶
两面反射镜（后镜高反 HR + 前镜部分反射 OC）构成 F-P 腔，使光在增益介质中反复往返放大，并通过输出耦合镜输出激光：
谐振腔的作用： 1. 反馈：使光多次通过增益介质，实现高增益 2. 选频：只有满足驻波条件（$L = m\lambda/2$）的纵模才能振荡，实现谱线窄化 3. 选模：腔的几何形状决定横模分布（高斯 TEM₀₀ 为最优）
四、激光振荡阈值¶
当单程增益 $g$ 等于腔内损耗（反射损失 + 散射 + 吸收）之和时，光能在腔内维持振荡。阈值条件：
$$G \cdot R_1 \cdot R_2 \cdot (1-L)^2 = 1$$
其中 $G$ 为单程增益，$R_1, R_2$ 为两镜反射率，$L$ 为腔内单程损耗。超过阈值后，输出功率随泵浦功率线性增长（斜率效率 $\eta_s$）。
五、激光的四大特性¶
| 特性 | 物理来源 | 工程意义 |
|---|---|---|
| 单色性（窄线宽） | 谐振腔纵模选择 | 光谱仪参考光源、激光雷达 |
| 相干性 | 受激辐射相位锁定 | 干涉测量、全息、相干通信 |
| 方向性（低发散角） | 高斯光束衍射限传播 | 远距离照射、激光雷达 |
| 高亮度 | 能量高度空间集中 | 激光加工、光纤耦合 |
参考资料¶
- Saleh & Teich, Fundamentals of Photonics (3rd Edition), Wiley — 第 14–15 章激光物理
- Svelto, Principles of Lasers (5th Edition), Springer — 激光物理经典教材
- Siegman, Lasers, University Science Books — 权威全面，涵盖高级内容
更新时间¶
2026-03-03