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激光的原理及产生

LASER 全写为 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) “激发放射增幅光”,意思是指借着“激发放射”的原理,产生增幅放大的光波,称为“激光”。电子的运动状态可以分为不同的能阶,电子从高能阶向低能阶跃迁时,会释放出相应能量的电磁波(所谓自发辐射)。一般的发光体中,这些电子释放光子的动作是随机的,所释放出的光子也没有相同的特性,例如钨丝灯发出的光。

当外加能量以电场、光子、化学等方式注入到一个能阶系统时,会导致电子从低能阶向高能阶跃迁,当自发辐射产生的光子碰到这些因外加能量而跃上高能阶的电子时,这些高能阶的电子会因受诱导而迁到低能阶并释放出光子(所谓受激辐射)。

受激辐射的所有光学特性跟原来的自发辐射包括:频率、相位、前进方向等会是一样的,这些受激辐射的光子碰到其他因外加能量而跃上高能阶的电子时,又会再产更多同样的光子,最后光的强度越来越大(即光线能量被放大了),而与一般的光不同的是所有的光子都有相同的频率、相位、前进方向。

要做到光放大,就要产生一个高能阶电子比低能量级电子数目多的环境,这样才有机会让高能阶电子碰上光子来释放新的光子,而不是随机释放。激光之产生需要三个要素,分别为“激发来源”(Pumping Source),“增益介质”(GainMedium) 及“共振结构”(Optical Cavity/Resonator)。

“激发来源”(Pumping Source):
把能量供给低能阶的电子,激发使其成为高能阶电子,能量供给的方式有电荷放电、光子、化学作用等…。其中一种常见的激发来源为氙气闪灯 (Xenon Flash Lamp),亦有以其他波长的激光来作激发来源。

“增益介质”(Gain Medium):
被激发、释放光子的电子所在的物质,其物理特性会影响所产生激光的波长等特性。

“共振结构 / 共振腔”(Optical Cavity/Resonator):
是两面互相平行的镜子,一面全反射,一面半反射。作用是把光线在反射镜间来回反射,目的是使被激发的光多次经过增益介质以得到足够的放大,当放大到可以穿透半反射镜时,激光便从半反射镜发射出去。因此,此半反镜也被称为输出耦合镜(Output Coupler)。两镜面之间的距离也对输出的激光波长有着选择作用,只有在两镜间的距离能产生共振的波长才能产生激光。

本文节选自《激光及彩光原理》,由镭之源激光电源收集整理

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